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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Diseño de un sistema de bombeo con energía eólica para el sistema de riego de la
comunidad Pull-Quishuar
Trabajo de Titulación modalidad estudio técnico, previo a la obtención del título de
Ingeniero Civil
AUTOR: Pulles Mina Leonardo Javier
TUTOR: Ing. Paulina Rosana Lima Guamán, MSc.
Quito, 2019
ii
DERECHOS DE AUTOR
Yo, PULLES MINA LEONARDO JAVIER, en calidad de autor y titular de los derechos
morales y patrimoniales del trabajo de titulación “Diseño de un sistema de bombeo
con energía eólica para el sistema de riego de la comunidad Pull-Quishuar”, modalidad
estudio técnico, de conformidad con el Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA
ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E
INNOVACIÓN, concedo a favor de la Universidad Central del Ecuador una licencia
gratuita, intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra, con fines
estrictamente académicos. Conservando a mi favor todos los derechos de autor sobre la
obra, establecidos en la normativa citada.
Así mismo, autorizo a la Universidad Central del Ecuador para que realice la
digitalización y publicación de este trabajo de titulación en el repositorio virtual, de
conformidad a lo dispuesto en el Art. 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior.
El autor declara que la obra objeto de la presente autorización es original en su forma de
expresión y no infringe el derecho de autor de terceros, asumiendo la responsabilidad por
cualquier reclamación que pudiera presentarse por esta causa y liberando a la Universidad
de toda responsabilidad.
Firma: ___________________________________
Pulles Mina Leonardo Javier
CC: 0401480447
Dirección electrónica: [email protected]
iii
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutora del Trabajo de Titulación, presentado por PULLES MINA
LEONARDO JAVIER, para optar por el grado de Ingeniero Civil; cuyo título es el:
“DISEÑO DE UN SISTEMA DE BOMBEO CON ENERGÍA EÓLICA PARA EL
SISTEMA DE RIEGO DE LA COMUNIDAD PULL-QUISHUAR”, considero que
dicho trabajo reúne los requisitos y méritos suficientes para ser sometido a la presentación
pública y evaluación por parte del tribunal examinador que se designe.
En la ciudad de Quito, a los 19 del mes de julio de 2019
___________________________________
Ing. Paulina Rosana Lima Guamán, MSc
DOCENTE-TUTOR
CC: 1714444245
iv
DEDICATORIA
El presente trabajo está dedicado a la comunidad de Pull Quishuar.
v
AGRADECIMIENTOS
vi
CONTENIDO
DERECHOS DE AUTOR ................................................................................................ ii
APROBACIÓN DEL TUTOR ........................................................................................ iii
DEDICATORIA .............................................................................................................. iv
AGRADECIMIENTOS .................................................................................................... v
CONTENIDO .................................................................................................................. vi
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................... xi
LISTA DE TABLAS ...................................................................................................... xii
LISTA DE GRÁFICAS ................................................................................................. xiv
RESUMEN ..................................................................................................................... xv
ABSTRACT .................................................................................................................. xvi
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES ................................................................................ 1
Definición del Problema .................................................................................... 1
Planteamiento del Problema .............................................................................. 1
Antecedentes ...................................................................................................... 1
Justificación ....................................................................................................... 2
Objetivos ............................................................................................................ 3
Objetivo General......................................................................................... 3
Objetivos Específicos ................................................................................. 3
Hipótesis ............................................................................................................ 3
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO ................................................................................ 4
Marco Conceptual .............................................................................................. 4
Situación actual de la energía eólica en el mundo ...................................... 4
Situación actual de la energía eólica en el Ecuador.................................... 4
Aerogeneradores ......................................................................................... 5
2.1.3.1. Clasificación de los aerogeneradores. ................................................. 6
vii
2.1.3.2. Aerogeneradores de eje Horizontal: .................................................... 6
2.1.3.3. Aerogeneradores de eje Vertical: ........................................................ 6
2.1.3.4. Funcionamiento de los aerogeneradores. ............................................ 7
2.1.3.5. Rotor: ................................................................................................... 7
2.1.3.6. Sistema de acoplo, soporte de la turbina: ............................................ 8
2.1.3.7. Caja de cambio o multiplicador: ......................................................... 8
2.1.3.8. Generador: ........................................................................................... 8
2.1.3.9. Motor de orientación. .......................................................................... 8
2.1.3.10. Mástil de soporte. ................................................................................ 8
2.1.3.11. Veleta y anemómetro. ......................................................................... 9
2.1.3.12. Fuente Eólica. ...................................................................................... 9
Variabilidad de la velocidad del viento. ..................................................... 9
Densidad del aire. ....................................................................................... 9
Medición de la velocidad del viento ......................................................... 10
Vientos a barlovento y sotavento.............................................................. 10
Rosa de vientos ......................................................................................... 11
Factor de clase IEC ................................................................................... 11
Factor de Planta ........................................................................................ 12
Energía Firme ........................................................................................... 12
Estación de Bombeo ................................................................................. 12
2.1.5.1. Ubicación de la estación de bombeo ................................................. 12
Capacidad de la estación de bombeo ........................................................ 13
2.1.6.1. Caseta de bombeo.............................................................................. 13
2.1.6.2. Cisterna de bombeo. .......................................................................... 13
Equipo de bombeo. ................................................................................... 13
Bombas Centrífugas Verticales: ............................................................... 13
viii
Bombas Sumergibles: ............................................................................... 14
Bombas Centrifugas Horizontales: ....................................................... 14
2.1.10.1. Elementos de una bomba centrífuga ................................................. 14
Rendimiento de la bomba ..................................................................... 16
Selección de una bomba ....................................................................... 17
Válvulas ................................................................................................ 18
2.1.13.1. Válvulas de regulación y control:...................................................... 18
2.1.13.2. Válvula de retención o check: ........................................................... 18
2.1.13.3. Válvula de compuerta o cortina: ....................................................... 18
2.1.13.4. Válvula de aire: ................................................................................. 18
Estudios Preliminares ........................................................................... 18
2.1.14.1. Levantamiento Topográfico: ............................................................. 18
2.1.14.2. Estudio de Suelos: ............................................................................. 18
2.1.14.3. Estudios Meteorológicos: .................................................................. 19
Marco Legal ..................................................................................................... 19
Constitución de la República del Ecuador 2008 ....................................... 19
Ley orgánica de Recursos Hídricos, Usos y Aprovechamiento del Agua 19
Noma Ecuatoriana de la Construcción (NEC) .......................................... 19
CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA .................................................................................. 20
Delimitación Temporal .................................................................................... 20
Delimitación Espacial ...................................................................................... 20
Tipo de Estudio ................................................................................................ 20
Método de Investigación .................................................................................. 21
Técnicas de recopilación de información ........................................................ 21
Procesamiento y análisis de datos .................................................................... 22
Recolección de datos ....................................................................................... 22
ix
Procesamiento de la información ..................................................................... 22
Características de la zona en estudio ............................................................... 23
Ubicación geográfica del proyecto .................................................................. 23
Aspectos demográficos y socioeconómicos .................................................... 25
Servicios Básicos ............................................................................................. 26
Vías de Acceso ................................................................................................. 27
Identificación, descripción y diagnóstico del problema .................................. 27
Análisis de la situación actual .......................................................................... 28
Línea base del proyecto ................................................................................... 28
Estudios Topográficos .......................................................................... 29
Estudio de Suelos .................................................................................. 29
Estudios Meteorológicos ....................................................................... 29
Selección del sistema de energía mediante generación eólica ......................... 29
Análisis de la generación eléctrica en base al potencial eólico ....................... 29
Demanda energética para el sistema de bombeo ............................................. 30
Indicadores de resultados ................................................................................. 30
CAPÍTULO 4: ANÁLISIS DEL POTENCIAL EÓLICO EN LA ZONA DE ESTUDIO
........................................................................................................................................ 32
Introducción ..................................................................................................... 32
Estudios Técnicos ............................................................................................ 32
Estudios Topográficos. ............................................................................. 32
Estudio de suelos. ..................................................................................... 33
Estudios Meteorológicos .......................................................................... 34
4.2.3.1. Etapa 1 ............................................................................................... 36
4.2.3.2. Etapa 2 ............................................................................................... 39
4.2.3.3. Etapa 3 ............................................................................................... 40
x
Selección del aerogenerador ..................................................................... 43
4.2.5 Matriz de selección de alternativas ........................................................... 47
CAPÍTULO 5: DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA PARA EL
SISTEMA DE BOMBEO ............................................................................................... 50
Introducción ..................................................................................................... 50
Condiciones para el diseño del sistema de bombeo ......................................... 50
5.2.2 Cálculo hidráulico ........................................................................................ 51
Determinación de la demanda energética del sistema de bombeo ................... 57
Análisis del sistema de bombeo en base a la energía producida...................... 61
Energía firme ................................................................................................... 63
Presupuesto. ..................................................................................................... 64
CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................... 65
Conclusiones .................................................................................................... 65
Recomendaciones ............................................................................................ 66
Bibliografía ...................................................................................................... 67
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Porcentajes de generación de energía eólica en el mundo……….………..…..4
Figura 2.2: Producción mensual del año 2015 estación eólica Villonaco……....…….......5
Figura 2.3: Esquema de un aerogenerador………………...…...……………….………..6
Figura 2.4: Partes de un aerogenerador………….………………………...….….…...…..7
Figura 2.5: Factor de clase IEC…………...…………………….…………….…….…..12
Figura 2.6: Partes de una bomba centrifuga ...…………………………………………14
Figura 2.7: Algoritmo para la selección de una bomba………………………….………17
Figura 3.1: Delimitación de la zona de estudio…….…………………………….……...20
Figura 3.2: Ubicación geográfica del proyecto …….……………...………...………….24
Figura 3.3: Vía de acceso comunidad Pull Quishuar …………..….……………....….…27
Figura 4.1: Mapa de la zona de estudio…………….…………….…………..…....….…33
Figura 4.2: Mapa zona eólica a barlovento etapa 1..........……..……………………...…36
Figura 4.3: Mapa de las zonas eólicas etapa 2………………………..………….………39
Figura 4.4.: Distribución de Weibull……………….………………..………….………44
Figura 4.5: Energía diaria producida mediante aerogeneradores…………………..……47
Figura 5.1: Mapa de la zona de estudio para el sistema de bombeo………………..…….50
Figura 5.2: Perfil longitudinal de la línea de conducción……….………………….……51
Figura 5.3: Curva característica para bombeo de 5 l/s…………………………………..57
Figura 5.4: Curva característica para bombeo de 10 l/s………...……………………….58
Figura 5.5: Curva característica para bombeo de 15 l/s……...………………………….59
Figura 5.6: Curva característica para bombeo de 20 l/s…………………...…………….59
xii
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1: Variación de la densidad del aire………..…………………………………….9
Tabla 2.2: Velocidad máxima en la tubería de succión……………………………….…15
Tabla 3.1: Softwares de dominio público empleados…………………....…….………..22
Tabla 3.2: Datos de coordenadas y elevaciones de los puntos GPS……………….…….24
Tabla 3.3: Análisis del FODA………….……………….……...……………….………28
Tabla 3.4: Delimitación temporal de las etapas del proyecto…………………..………..31
Tabla 4.1: Detalle de los ensayos de suelos realizados………….…………...……….....33
Tabla 4.2: Detalle de las etapas para estudios meteorológicos………….…..….….…...35
Tabla 4.3: Detalle de los sitios de medición para la etapa 1………….........…………….36
Tabla 4.4: Resumen de mediciones etapa 1_A…………………..……………………...37
Tabla 4.5: Resumen de mediciones etapa 1_B………………………….……………....39
Tabla 4.6: Detalle de los sitios de medición para la etapa 2……….…………………...40
Tabla 4.7: Resumen de mediciones etapa 2………………….…………………………40
Tabla 4.8: Fuentes de datos etapa 3………….………………………………...……….41
Tabla 4.9: Datos satelitales etapa 3 portal DTU……………………………...………...41
Tabla 4.10: Datos generales para la selección de aerogeneradores…………………...…43
Tabla 4.11: Clasificación de aerogeneradores………………………………....………..45
Tabla 4.12: Energía producida mediante aerogeneradores……………..……………….46
Tabla 4.13: Matriz de valoración de alternativas……………....……………………….48
Tabla 4.14: Resultados de la matriz de valoración de alternativas………………………49
Tabla 5.1: Resumen de la memoria de cálculo para un caudal de 5 l/s …......………….52
Tabla 5.2: Memoria de cálculo para un caudal de 10 l/s…….…………………...……..54
xiii
Tabla 5.3: Memoria de cálculo para un caudal de 15 l/s ….……………..………..……..55
Tabla 5.4: Memoria de cálculo para un caudal de 20 l/s ………………..………...……..56
Tabla 5.5: Resumen de las Curvas Características de Rendimiento ……..………..……60
Tabla 5.6: Pliego Tarifario para bombeo Empresa Eléctrica Riobamba …..……...……60
Tabla 5.7: Costo energético eléctrico para el sistema de Bombeo ……..……….....……61
Tabla 5.8: Análisis del sistema de bombeo en base a la energía producida………...……62
Tabla 5.9: Análisis del sistema de bombeo en base a la energía producida ……......……63
Tabla 5.10: Resumen del presupuesto del sistema de bombeo.…………...……......……64
xiv
LISTA DE GRÁFICAS
Gráfica 2.1: Rosa de vientos………………………..………………...…………………11
Gráfica 3.1: Número de integrantes por familia………………...…….…………………25
Gráfica 3.2: Área Cultivable en hectáreas por familia…………...…….……..…………25
Gráfica 3.3: Ingresos económicos por familia…………………………….….…………26
Gráfica 3.4: Diagrama de Sankey para la factibilidad del proyecto…..…………………30
Gráfica 4.1: Rosa de vientos Pecamos Loma………….……………….………...……..37
Gráfica 4.2: Rosa de vientos Tío Pongo…………………….……………….…....…….38
Gráfica 4.3: Rosa de vientos Verde Guaico……………………….…………...……….38
Gráfica 4.4: Mapa eólico del Ecuador……………………..…………………..………..42
Gráfica 4.5: Velocidades de viento portal MERRA-2…………………….…….………43
Gráfica 5.1: Esquema de sistema de bombeo con energía eólica……………….……….64
xv
TEMA: Diseño de un sistema de bombeo con energía eólica para el sistema de riego de
la comunidad Pull-Quishuar
Autor: Pulles Mina Leonardo Javier
Tutora: Ing. Paulina Rosana Lima Guamán MSc.
RESUMEN
El presente estudio técnico, que forma parte del multiproyecto Pull-Quishuar, propone
por medio del diseño de un sistema de bombeo que emplea energía eólica, garantizar la
energía necesaria para la expansión de la producción agrícola de la comunidad.
Primeramente, se estableció la solución del sistema mediante la delimitación del área de
influencia del proyecto, que abarca el estudio en campo y satelital de dos zonas de
influencia directa. De manera posterior, se realiza el levantamiento de información a
través de estudios realizados en campo y datos meteorológicos satelitales, los cuales
permiten obtener el promedio de velocidad, dirección del viento, así como el factor de
clase IEC; estas variables ayudan a establecer los parámetros de selección de equipos
aerogeneradores a ser empleados. Finalmente, se demuestra la viabilidad del proyecto por
medio de un análisis comparativo entre el consumo energético por parte del sistema de
bombeo y la capacidad energética producida mediante aerogeneradores, llegándose a
garantizar la energía firme del sistema.
PALABRAS CLAVE: GUAMOTE /PROYECTOS EN GUAMOTE/ PULL
QUISHUAR/ PROYECTOS EÓLICOS/ PROYECTO EÓLICO GUAMOTE/
PROYECTO DE VIENTOS GUAMOTE/ PROYECTOS COMUNITARIOS ANDINOS
xvi
TITLE: Design of a pumping system with wind energy for the irrigation system of the
Pull-Quishuar community
Author: Pulles Mina Leonardo Javier
Tutor: Ing. Paulina Rosana Lima Guamán MSc.
ABSTRACT
The present technical study, that is part of the multiproject Pull-Quishuar, is proposing a
design of a pumping system that uses wind energy to secure the necessary energy for the
expansion of the agricultural production. Primarily, the solution for the system was
established through the determination of the ambit, which includes the field and satellite
study of two areas of direct influence. Afterwards information is collected through field
studies and satellite meteorological data, which allow to obtain the average velocity and
direction of wind, as well as the IEC class factor. These variables help to establish the
selection parameters of wind turbine equipment to be used. Finally, the viability of the
project is demonstrated through a comparative analysis between the energy consumption
by the pumping system and the energy capacity produced by wind turbines, assuring the
lasting energy produced by the system.
KEY WORDS: GUAMOTE / GUAMOTE PROJECTS / PULL QUISHUAR / WIND
PROJECTS / GUAMOTE WIND PROJECT / GUAMOTE WINDS PROJECT /
ANDEAN COMMUNITY PROJECTS
1
CAPÍTULO 1: GENERALIDADES
Definición del Problema
En el Ecuador el abastecimiento de agua todavía tiene numerosas falencias, como
el bajo acceso al servicio especialmente en las comunidades rurales de la sierra
ecuatoriana que se dedican a la agricultura (SENPLADES, 2014) por lo que, un limitado
acceso a este recurso implica el aplazamiento del desarrollo social y económico
sostenible, este retardo se evidencia en el desarrollo de su sector agrícola, como es el caso
de la comunidad de Pull-Quishuar. Según datos del último censo (INEC, 2010), los
habitantes de este sector se dedican a la agricultura como base de su desarrollo económico
sostenible, que en las últimas décadas por carencia de acceso al recurso hídrico ha causado
un considerable impacto en el desarrollo social, que se evidencia la elevada tasa de
migración interna de los habitantes de cantón Guamote hacia otras zonas del país, con un
porcentaje de 83.68%, siendo un 9.56% y 9.21% de los pobladores del cantón que residen
en las provincias de Pichincha y Guayas (GAD Guamote, 2013).
Planteamiento del Problema
En la actualidad el riego de la comunidad de Pull-Quishuar cuenta con limitado
caudal para abastecer los terrenos destinados al cultivo, el mismo que consta de un canal
abierto que recorre el perfil de los terrenos a una cota de 3800 m s.n.m. a lo largo de la
comunidad, limitándose al abastecimiento de agua para los terrenos de una cota inferior,
por lo que para expandir su área agrícola a los terrenos sobre los 3800 m s.n.m. necesitan
transportar agua de fuentes alternativas a la actual.
Antecedentes
La comunidad de Pull-Quishuar se encuentra ubicada en la zona 6 del cantón
Guamote perteneciente a la provincia de Chimborazo, debido al alta tasa de inmigración
hacia las grandes ciudades por la falta de fuentes de trabajo, en la zona se requerirá un
sistema de riego para potencializar su producción agrícola de consumo interno. Luego del
análisis de los resultados obtenidos durante una visita técnica realizada por los ingenieros
del área de hidráulica de la Universidad Central del Ecuador, se ha previsto realizar cuatro
temas de proyectos de titulación en la modalidad de proyecto técnico.
2
Las propuestas se basan en la implantación de un sistema de bombeo que permita
transportar el caudal necesario para satisfacer la demanda de riego, siendo estas:
- Análisis de alternativas para el diseño de la conducción de agua del proyecto
de riego en la comunidad Pull-Quishuar.
- Diseño de un sistema de bombeo con energía eólica para el sistema de riego
de la comunidad Pull-Quishuar.
- Diseño del sistema de riego de la comunidad Pull-Quishuar.
- Gestión integral para el proyecto de riego de la comunidad Pull-Quishuar.
Actualmente la comunidad de Pull-Quishuar se encuentra asentada sobre los 3600
m s.n.m. y cuenta con limitado acceso a servicios básicos y recursos económicos (INEC,
2010). El nivel de pobreza en la zona de Guamote, tomando como indicador las
necesidades básicas insatisfechas, es del 95,5%; y el nivel de extrema pobreza del 75,20
%. La tasa de analfabetismo a nivel rural según datos del Sistema Integrado de
Indicadores Sociales del Ecuador (SIISE), es del 21,05%; el nivel de instrucción más alto
es el primario con 47,03 %; seguido por el de ninguna instrucción con el 20,91%(Plan
Internacional España, 2016). Su nivel de acceso para el abastecimiento de agua mediante
una red pública es del 41.58% (GAD Guamote, 2017). La mayor parte de la población de
la comunidad es indígena, perteneciente a la nacionalidad kichwa, se dedica
principalmente a la agricultura, pero debido a la falta del acceso al recurso hídrico, se
restringe la ocupación en áreas cultivables localizadas en cotas mayores que la ubicación
de la comunidad (INEC, 2010).
La limitación de acceso de servicios en esta zona y el alto costo de un sistema de
bombeo eléctrico hacen que no sea conveniente el uso de un sistema de bombeo que
dependa de electricidad. Por lo que, se propone realizar el estudio de la implantación de
un sistema de bombeo que aproveche las condiciones favorables tales como la topografía
y meteorología zonal
Justificación
Este proyecto establecerá una solución técnica y económica para el funcionamiento
del sistema de bombeo en base a la energía eólica, que al formar parte del mutiproyecto
Pull-Quishuar beneficiará a la comunidad, impulsando el cultivo en terrenos de difícil
3
irrigación, además el proyecto que será amigable con el ambiente al implementar la
construcción de fuentes de energía eólica.
Objetivos
Objetivo General
Diseñar un sistema de bombeo con la implementación de energía eólica para el
sistema de riego de la comunidad Pull -Quishuar.
Objetivos Específicos
- Seleccionar el sistema de generación eléctrica mediante energía eólica.
- Diseñar el sistema de bombeo.
- Elaborar el presupuesto referencial del sistema.
Hipótesis
¿Se puede plantear el diseño de un sistema de bombeo que utilice energía eólica
como mejor alternativa con respecto a un sistema de bombeo con otras energías, para
mejorar la irrigación de terrenos de difícil acceso, que beneficiará al desarrollo socio-
económico en la comunidad de Pull-Quishuar?
4
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO
Marco Conceptual
Situación actual de la energía eólica en el mundo
En la actualidad la utilización de la energía eólica como fuente alternativa de
energía se ha posicionado mundialmente como una fuente energética limpia y
económicamente competitiva, debido a su progreso tecnológico en las últimas décadas
(Mártil, 2018b); según los datos publicados por el (Global Wind Energy Council, 2019),
muestran que la industria de la energía eólica generó 51.3 GW en el año 2018 y su
crecimiento desde el año 2014 en el mercado eólico global ha continuado estable,
colocando nueva generación a más de 50 GW por año, destacando el desarrollo de
regiones como América Latina.
Situación actual de la energía eólica en el Ecuador
El Ecuador a diferencia de Europa no cuenta con varios años utilizando la energía
eólica, inaugurando su primer parque eólico en el año 2007, situado en la isla de San
Cristóbal del Archipiélago de Galápagos, que genera una potencia de 2.4 MW
(TECH4CDM, 2009). Actualmente el Ecuador ha progresado en su generación mediante
energía eólica, tal es el caso de la central eólica Villanoco, ubicada a 14 km de la ciudad
de Loja a una altura de 2.72 metros sobre el nivel del mar (REVE, 2016).
Figura 2.1: Porcentajes de generación de energía eólica en el mundo.
Fuente: (Global Wind Energy Council, 2019)
5
Según los datos de (CELEC, 2016), la estación eólica de Villanoco posee 11
aerogeneradores de 1.5 MW de potencia nominal, teniendo su mayor producción en el
año 2015 como lo muestra la siguiente figura:
Otros proyectos eólicos en el Ecuador:
• Membrillo, Loja: Estudio de
Prefactibilidad, 45 MW
• Las Chinchas, Loja: Estudio
Factibilidad, 10-15 MW
• Salinas, Imbabura: Estudio Factibilidad,
15 MW
• Santa Cruz, Galápagos: 3,2 – 3,6 MW,
• Minas de Huscachaca, Azuay:
Factibilidad 30 MW
Aerogeneradores
Los aerogeneradores utilizan el accionar del viento para generar electricidad,
basándose su principio de funcionamiento en el movimiento de las aspas que hacen girar
a un eje central, como los antiguos molinos de viento que realizaban tareas específicas
(Fallas, 2011).
Figura 2.2: Producción mensual del año 2015 estación eólica Villonaco
Fuente: (CELEC, 2016)
6
Para los aerogeneradores, la energía eólica facilita el movimiento de la hélice que
por medio de un sistema mecánico de engranajes se logra hacer girar el rotor del
generador habitualmente con un alternador, que transforma la energía mecánica
rotacional en energía eléctrica (Torroglosa, 2011).
2.1.3.1. Clasificación de los aerogeneradores.
Según (Ruer, 2013) la clasificación, se basa en la posición de su eje principal,
existen dos tipos, los de eje horizontal y los de eje vertical.
2.1.3.2. Aerogeneradores de eje Horizontal:
Este tipo de aerogeneradores necesitan un control de orientación al viento debido
a la disposición de su eje en horizontal, la velocidad del viento es accionada por medio
de las hélices dispuestas perpendicularmente al eje del aerogenerador, estas pueden estar
dispuestas a barlovento o a sotavento (Ruer, 2013). Según (“Wind turbines,” 2015) su
clasificación depende de la velocidad de giro del rotor, pueden ser en aeroturbinas lentas
o rápidas, siendo empleadas para conexión a la red eléctrica las aeroturbinas rápidas.
2.1.3.3. Aerogeneradores de eje Vertical:
Los aerogeneradores de este tipo cuentan con la ventaja de captar el viento en
cualquier dirección, por medio de sus ejes principales dispuestos en posiciones
perpendiculares al suelo, por lo que no necesitan un control de orientación a diferencia de
los aerogeneradores de eje horizontal (Ruer, 2013).
Figura 2.3: Esquema de un aerogenerador de eje vertical
Fuente: (TECH4CDM, 2009)
7
El rendimiento de este tipo de aerogeneradores se en comparación a los de eje vertical,
se encuentra por debajo de la mitad (“Wind turbines,” 2015) por lo que en la industria se
limita al desarrollo de este tipo de aerogeneradores (Torroglosa, 2011).
2.1.3.4. Funcionamiento de los aerogeneradores.
Un aerogenerador es un generador eléctrico, que, por medio de la energía cinética
del aire en movimiento, se logra suministrar a través de un sistema de transmisión
mecánico energía a un rotor, transformándola en energía eléctrica (“Wind power
generation and wind turbine design,” 2013).
Actualmente la mayoría de aerogeneradores son de tres hélices y poseen
mecanismos eléctricos, con el fin de obtener un máximo rendimiento y seguridad hacia
velocidades altas de viento, poseen un mecanismo de orientación que sirve para girar el
rotor de la turbina (Ruer, 2013). Las partes principales de un aerogenerador según define
(Torroglosa, 2011) son el rotor, la caja de engranajes, el generador, la torre y el sistema
de control, como se indica en la siguiente figura:
La función que cumple cada elemento es la siguiente:
2.1.3.5. Rotor:
Su principal función es transformar en energía mecánica de rotación la energía
almacenada del viento, en base a las condiciones cuando la velocidad del viento es baja
Figura 2.4: Partes de un aerogenerador de eje vertical
Fuente: (Smart Grid Costa Rica, 2012)
8
se realiza el diseño crítico en donde se emplea el diseño de la sección de las palas las
cuales garantizan el giro del rotor (Mártil, 2018a).
2.1.3.6. Sistema de acoplo, soporte de la turbina:
El sistema de acoplo es el que adapta al rotor del generador de energía, las aspas
que poseen el movimiento de rotación (Mártil, 2018a).
2.1.3.7. Caja de cambio o multiplicador:
Corresponde a la velocidad de giro del rotor para generar energía eléctrica, donde
entre 10 a 40 rpm pertenece a velocidades de viento entre 20 a 100 km/h, en la caja de
cambio para detener el giro de rotor cuando se presentan vientos elevados (sobre 80-90
km/h) usualmente se incorpora un freno (Mártil, 2018a).
2.1.3.8. Generador:
El conjunto de rotor-estator es el encargado para generar energía eléctrica,
transportada por medio de cableado instalado en el interior de la torre hacia la estación
transformadora que la envía a la red eléctrica (Torroglosa, 2011).
Para la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en
electricidad la velocidad del viento es un parámetro importante, debido a que es
proporcional a la energía que capte el aerogenerador (Ruer, 2013), para la obtención de
la potencia de un aerogenerador (“Wind turbines,” 2015) menciona que se consigue
convirtiendo la fuerza del viento en un par que actúa sobre las palas del rotor en donde
según (Mártil, 2018a) la potencia del generador para turbinas de tamaño medio varía entre
5 kW, seguido en tamaño de turbinas hasta 5 MW y actualmente existen turbinas de
grandes dimensiones que consiguen los 10 MW.
2.1.3.9. Motor de orientación.
Permite girar al conjunto para poder direccionar la góndola de cara al viento
predominante (Mártil, 2018a).
2.1.3.10. Mástil de soporte.
Es el soporte estructural del aerogenerador, sus dimensiones son proporcionales a
la potencia de la turbina, debido a que a mayor potencia es mayor la longitud de las aspas,
por consiguiente la altura del mástil será de mayores dimensiones; con el fin de soportar
9
vientos elevados sin sufrir daños, el mástil de soporte deberá poseer un alta rigidez
estructural (Mártil, 2018a).
2.1.3.11. Veleta y anemómetro.
Se utilizan para determinar la dirección y velocidad del viento, actúa sobre el
mecanismo de las aspas para frenarlas cuando se presentan velocidades que superan el
umbral de diseño y presentan riesgos estructurales para la turbina; generalmente se ubican
en la parte posterior de la góndola del aerogenerador (Mártil, 2018a).
2.1.3.12. Fuente Eólica.
La fuente eólica proviene de la rotación del globo y es conocida como fuerza de
Coriolis, en donde cualquier movimiento en el hemisferio norte es desviado hacia la
derecha (si el punto de observación es la posición del suelo), de similar forma en el
hemisferio sur cualquier movimiento desviado hacia la izquierda, producen esta fuerza
de curvatura (Cushman-Roisin & Beckers, 2011).
Variabilidad de la velocidad del viento.
Debido a los diversos factores climáticos como las condiciones de superficie y de
los impedimentos naturales o artificiales, el contenido energético del viento varía
continuamente, evidenciándose en la fluctuación de las mediciones de la velocidad del
viento, que en una turbina eólica ocasionará variaciones que serán recompensadas con la
inercia del rotor (Katzenstein, Fertig, & Apt, 2010).
Las variaciones de la velocidad del viento entre diurnas y nocturnas, dependen de
la locación en el planeta y a los diferenciales de temperatura, debido a esto para el diseño
de los aerogeneradores, las empresas han adaptado el diseño para que la mayor
producción se realice durante el día, debido a que, el mayor consumo se realiza en
jornadas nocturnas (Gómez, Cebadera, & Del Castillo, 2009).
Densidad del aire.
La densidad de cualquier cuerpo sea sólido, líquido o gaseoso, se formula como la
cantidad de masa del mismo por unidad de volumen, para una presión atmosférica en
condiciones normales a 15 ºC la densidad del aire es de 1.225 kg/m3, su relación se ve
afectada por el aumento o disminución de la humedad, la presión y la temperatura (Drake,
2010).
10
La Tabla 2.1, muestra la variación promedio de la densidad del aire en función de la
altura y la humedad.
Densidad (Kg / m3)
Altitud (m)
Temperatura (ºC)
0 ºC 5 ºC 10 ºC 15 ºC 25 ºC
0 1,28 1,25 1,23 1,22 1,17
500 1,21 1,19 1,17 1,15 1,11
1000 1,14 1,12 1,1 1,08 1,05
1500 1,07 1,06 1,04 1,02 0,98
2000 1,01 0,99 0,97 0,96 0,92
2500 0,94 0,92 0,91 0,89 0,86
3000 0,87 0,86 0,84 0,83 0,8
3500 0,81 0,79 0,78 0,76 0,74
4000 0,74 0,73 0,71 0,7 0,68
4500 0,67 0,66 0,65 0,64 0,62
5000 0,61 0,6 0,58 0,57 0,56
Tabla 2.1: Variación de la densidad del aire
Fuente: (Drake, 2010)
Medición de la velocidad del viento
Para la medición de la velocidad del viento se utilizan los anemómetros, que son
dispositivos dotados de un transductor que convierte la velocidad del giro del sensor en
una señal mecánica o eléctrica que permite su registro en banda de papel o directamente
informático (Zlomusica, 2013).
Para las principales características que debe poseer un anemómetro (Gómez et al., 2009)
recomiendan que:
- Debe existir linealidad entre la velocidad del viento y la señal de salida.
- Las variaciones de densidad, temperatura, presión y humedad del aire no deben
afectar a las mediciones del viento.
- La fiabilidad de las condiciones de calibración debe conservarse a largo plazo.
- Debe existir precisión las mediciones, debido a que un error del 10% en medidas
de velocidad representa un error de 30% en la evaluación de la potencia eólica.
Vientos a barlovento y sotavento.
Dentro de la descripción meteorológica de los procesos climáticos y sus
características físicas. El sentido del viento referido a la ubicación de un lugar con
relación a su dirección predominante; por lo que una ubicación a barlovento es la que se
encuentra expuesta a vientos predominantes y como caso contrario, la ubicación a
11
sotavento corresponde al lugar que es protegido del viento predominante (Fundación
Española para la Ciencia y la Tecnología, 2004).
Rosa de vientos
La Gráfica 2.1 indica, la rosa de los vientos, que consiste en un círculo donde hay
marcados los 32 rumbos en que se suele dividir la circunferencia del horizonte. Cada
horizonte queda dividido en 4 partes de 90 º y a su vez las 4 partes se vuelven a dividir,
creando los rumbos u orientaciones laterales: noreste, sureste, sur este y noroeste (“The
Wind and Wind Turbines,” 2006).
Factor de clase IEC
La Comisión Eléctrica Internacional (IEC), mediante la norma Norma UNE-EN
61400-1 que tiene actualización cada año menciona factores su límite de
velocidad de viento; que clasifica a los aerogeneradores según las clases, siendo
los de clase I, II y III catalogados como de baja potencia (International
Electrotechnical Commission, 2005). La siguiente la figura indica un extracto de
la normativa UNE-EN 61400-1 en donde se muestra el factor de clase de la IEC.
Gráfica 2.1: Rosa de vientos
Fuente: WindFinder
12
Figura 2.5: Factor de clase IEC.
Fuente: (International Electrotechnical Commission, 2005).
Factor de Planta
El factor de planta mide la productividad de una planta de generación, es la razón
entre la producción real durante un periodo (mínimo un año) con la producción que se
tuviera dado funcionando a capacidad máxima durante el 100% del tiempo. En la
actualidad los aerogeneradores presentan un factor de planta entre el 20 al 40 % (Criollo,
2010).
Energía Firme
Energía firme es la energía que la unidad es capaz de producir en el período crítico
del sistema, considerando la disponibilidad mínima del recurso (Criollo, 2010).
Estación de Bombeo
Una estación de bombeo se encuentra conformada por un grupo elementos, que
captan el agua desde una fuente de abastecimiento para conducirla por medio de
conexiones, tuberías y accesorios hacia elementos que permitan la preservación del
líquido como son los reservorios (CEPIS, 2005).
2.1.5.1. Ubicación de la estación de bombeo
Según (CEPIS, 2005), recomienda que para la ubicación de la estación de bombeo
se analiza en función a la seguridad y al funcionamiento continuo, se toman en cuenta los
siguientes factores.
- Un acceso que facilite los trabajos en las diferentes etapas de la estación de
bombeo (construcción, operación y mantenimiento)
- Protección de la calidad de agua hacia posibles fuentes contamines como a su vez
de peligros naturales cercanos (inundaciones, deslizamientos).
- Eficiencia hidráulica en el sistema de impulsión o distribución.
13
- Disponibilidad a una fuente de energía eléctrica.
Capacidad de la estación de bombeo
La capacidad de la estación de bombeo se analiza en base a las etapas de ejecución
de las obras y del periodo de operación estimado para el funcionamiento de la estación de
bombeo (CEPIS, 2005). Los componentes a considerar son los siguientes:
2.1.6.1. Caseta de bombeo
La caseta de bombeo sirve para albergar las unidades necesarias en el proceso de
elevación del agua, en algunos casos se suele instalar dispositivos de maniobra y
desinfección. Su dimensionamiento depende del tipo de bomba que se emplee, y debe
permitir cómodamente la circulación del operador, como también la entrada, salida,
montaje, desmontaje y mantenimiento de los equipos (Lobanoff & Ross, 1992).
2.1.6.2. Cisterna de bombeo.
Las cisternas de bombeo son utilizadas para almacenar agua previa al bombeo,
pueden ser cámaras de diversas formas por lo general suelen ser rectangulares, cuadradas
o circulares. Sus dimensiones están en función de facilitar el asentamiento de las piezas
que permiten el bombeo, además de evitar la presencia de grandes velocidades que
dificultan el acceso a las labores de mantenimiento (CEPIS, 2005).
Equipo de bombeo.
El equipo de bombeo consiste la selección de una bomba en donde (López Cualla,
2003) recomienda que se debe tomar en cuenta características como:
- Caudal.
- Altura dinámica.
- Eficiencia.
- Diámetro de tuberías.
- Volumen y tiempo de bombeo.
- Tipo de operación (serie o paralelo).
- Costos de operación.
Bombas Centrífugas Verticales:
Son equipos que se asientan sobre un determinado número de impulsores cuya
función consiste en elevar el agua por fases (Zurawsky, 2003) . Estas bombas se
constituyen por diámetros pequeños por el motivo de poder introducirlas en las
perforaciones de los pozos, además, poseen la versatilidad de trabajar en una amplia gama
14
de velocidades pero a un alto costo de operación (I. J. Karassik, W. C. Krutzsch, W. H.
Fraser, 1976).
Bombas Sumergibles:
Este tipo de bombas poseen en forma compacta el motor y la bomba, en forma tal
que pueden funcionar inmersos en el punto de captación, generalmente son empleados en
pozos de gran profundidad, su eficiencia es relativamente baja con respecto a los otros
tipos de bombas y poseen un elevado consumo de energía (Taylor, 2007).
Bombas Centrifugas Horizontales:
Se caracterizan por su variedad de aplicaciones, especialmente para el manejo de
productos de baja viscosidad, siendo no aptas para líquidos fuertemente aireados (King,
2002), tienen como ventaja el poseer facilidad en su instalación al no estar cercanas a la
fuente de abastecimiento, pero su mayor desventaja se presenta en la limitación de la
carga de succión debido a que su máximo valor teórico alcanzado es el de la presión
atmosférica del lugar (CEPIS, 2005).
2.1.10.1. Elementos de una bomba centrífuga
Las partes de una bomba centrífuga, según (Reina, 2013), pertenecen a los indicados
en la siguiente figura:
Figura 2.6: Partes de una bomba centrífuga
Fuente: (Reina, 2013)
15
Impulsor o rodete:
El rodete se encuentra localizado en el interior de una cámara que va unida al eje
y es la parte móvil de la bomba; tiene la función de impulsar el fluido, se encuentra
conformado por una serie de álabes los cuales giran dentro de una carcasa circular (Reina,
2013).
Difusor:
Tiene como función transformar la energía cinética en energía de presión,
optimizando la eficiencia de la bomba; de similar forma que el rodete, se encuentra en el
interior de una cámara que corresponde al cuerpo de la bomba, está conformado por
álabes fijos divergentes los cuales varían la velocidad del fluido en base al incremento de
la sección de la cámara de la bomba (Reina, 2013).
Tubería de succión:
La tubería de succión de la bomba centrífuga, debe poseer una sumergencia
mínima para evitar el ingreso de aire y producir deficiencias en el funcionamiento de la
bomba (Reina, 2013). Según (López Cualla, 2003) la velocidad mínima de succión es de
0.45 m/s y la máxima se encuentra limitada al diámetro de la tubería, con el propósito de
reducir los posibles problemas de cavitación, lo detalla en la siguiente tabla:
Diámetro de la
tubería de succión
(mm)
Velocidad
máxima (m/s)
50 0.75
75 1
100 1.3
150 1.45
200 1.6
250 1.6
300 1.7
Mayor que 400 1.8
Tabla 2.2: Velocidad máxima en la tubería de succión
Fuente: (López Cualla, 2003)
16
Tubería de impulsión:
La tubería de impulsión del sistema de bombeo deberá ser dispuesto en base al
estudio técnico económico para que pueda cumplir con los requerimientos solicitados,
para el análisis se considerarán el diámetro adoptado, la pérdida de carga y la potencia de
la bomba (CEPIS, 2005). En caso de contar con una tubería de impulsión con una pérdida
de carga pequeña la potencia de la bomba será reducida, caso contrario si se adopta un
diámetro al elegir un diámetro pequeño para la tubería de impulsión este requerirá una
mayor potencia de la bomba (Taylor, 2007).
Rendimiento de la bomba
El rendimiento de la bomba se indica mediante curvas, que expresan la efectividad
de la cantidad de energía que es comunicada por el eje impulsor y es transferida al fluido
a través de una bomba, a esto se analiza si existe fricción entre los cojines y juntas, debido
que esta acción genera pérdidas en el fluido (Reina, 2013).
Las pérdidas tienen varios componentes, según describe (Díez, 2017) son:
• Rendimiento del motor (ηmotor): Son la cantidad de pérdidas en el motor
eléctrico, se obtiene mediante la relación entre la potencia eléctrica consumida y
la potencia en el eje.
• Rendimiento volumétrico (ηvolumétrico): Corresponde a la relación entre la masa
de aire aspirada en cada ciclo y la que teóricamente podría llenar el volumen,
debido a que el caudal desplazado suele ser menor al suministrado por las
pérdidas internas en relación al aumento de presión, el rendimiento volumétrico
disminuye (Reina, 2013).
• Rendimiento hidráulico o manométrico (ηhidráulico): Es la relación entre la
energía transmitida en el eje de la turbina y la energía hidráulica absorbida por
el rodete (Gülich, 2014).
17
Selección de una bomba
Para la selección de una bomba, (Reina, 2013) se debe conocer el caudal y la altura
manométrica a vencer por la bomba, de esa forma se puede emplear el siguiente
diagrama de flujo para la selección de una bomba:
Figura 2.7: Algoritmo para la selección de una bomba
Fuente: (Reina, 2013)
18
Válvulas
2.1.13.1. Válvulas de regulación y control:
Las válvulas de regulación y control se las emplea en los sistemas hidráulicos con
el objetivo de ejercer un control de flujo regulando la velocidad, esto se efectúa mediante
la tasa de transferencia de energía a una presión ofrecida, siendo determinada por el tipo
de flujo (Larock, Jeppson, & Watters, 2010).
2.1.13.2. Válvula de retención o check:
Las válvulas de retención tienen como función el evitar el flujo inverso
permitiendo el que el agua pase en la trayectoria del bombeo (López Cualla, 2003).
2.1.13.3. Válvula de compuerta o cortina:
Las válvulas de cortina tienen como objeto el proporcionar ayuda en trabajos de
reparación o limpieza (López Cualla, 2003).
2.1.13.4. Válvula de aire:
Las válvulas de aire son empleadas con el propósito de controlar en forma
automática la presencia de aire en la conducción del sistema (Taylor, 2007).
Estudios Preliminares
2.1.14.1. Levantamiento Topográfico:
Conocer las cotas y distancias del terreno, para ello se hace foco en el estudio de la
topografía por los principios y procesos que brindan la posibilidad de trasladar a un
gráfico las particularidades de la superficie ya sean naturales o artificiales (Markoski,
2018).
2.1.14.2. Estudio de Suelos:
Un reconocimiento general de la zona es fundamental para poder establecer las
posibles opciones de ubicación y para poder decidir sobre la alternativa que presente las
mejores condiciones (Yoshida, 2015).
19
2.1.14.3. Estudios Meteorológicos:
Un estudio de los cambios atmosféricos que se producen a cada momento, utilizando
parámetros como la temperatura del aire, su humedad, la presión atmosférica, la
temperatura, el viento o las precipitaciones (NIMBUS, 2016).
Marco Legal
Constitución de la República del Ecuador 2008
Las bases legales de este proyecto, se encuentran establecidas en la Constitución
de la República del Ecuador del 2008, citando los artículos del TITULO VII – Régimen
Del Buen Vivir en su Capítulo Segundo – Biodiversidad y recursos naturales. En donde
el lineamiento legal estará sujeto en base a los artículos número 12, 14, 74, 318 y 411,
(Constitución del Ecuador, 2008).
Ley orgánica de Recursos Hídricos, Usos y Aprovechamiento del Agua
Para este proyecto se ha determinado la necesidad de contar con artículos de la
Ley Orgánica De Recursos Hídricos, Usos Y Aprovechamiento Del Agua con el fin de
cumplir los objetivos de conservación del ambiente y la biodiversidad. Tomando en
cuenta los artículos 1, 11 y 13 (Asamblea Nacional Constituyente de la República del
Ecuador, 2014).
Noma Ecuatoriana de la Construcción (NEC)
Se empleará la NEC en su versión 2015, para el dimensionamiento de estructuras que
requieran el uso de hormigón armado y presenten una resistencia adecuada, debido al
diseño con cargas mayoradas, generando así una seguridad estructural (NEC-SE-DS,
2015).
20
CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA
Delimitación Temporal
De acuerdo al cronograma de estudio para el proyecto de titulación, el desarrollo
tendrá una duración de 6 meses a partir de la aprobación del plan del proyecto, como se
muestra en la Tabla 3.4.
Delimitación Espacial
El proyecto se encuentra ubicado en la zona 17 sur, de la provincia de
Chimborazo, Cantón Guamote, a 6 km del centro de la comunidad de Pull-Quishuar, en
las coordenadas WGS 84 UTM X: 741629.00 Y: 9782873.00, como se indica en la Figura
3.1. Las consideraciones realizadas para el desarrollo del proyecto, serán específicas para
la población de Pull-Quishuar, debido a que se realizará los estudios técnicos dentro de
los límites de la comunidad.
Tipo de Estudio
Al ser un estudio técnico, el tipo de investigación será descriptiva y cuantitativa,
debido a que, se efectuarán visitas de campo para establecer una descripción de la
situación actual, para posteriormente obtener datos detallados, que estarán basados en la
Figura 3.1: Delimitación espacial de la zona de estudio
Fuente: Autor
21
medición, permitiendo realizar el diseño del sistema de bombeo. Por lo tanto, el estudio
se basará en una investigación de campo y documental.
- Investigación de campo: Se realizará tomando datos de topografía, hidrología y
meteorología en la zona de estudio.
- Investigación documental bibliográfica: El marco teórico está basado en la
bibliografía existente, además contendrá normas y conceptos básicos tomados de
referencias especializadas.
Método de Investigación
- Método analítico-sintético: Se empleará este método, para el óptimo
funcionamiento de los elementos que comprenden el sistema de bombeo. Será
necesario entender los componentes existentes, que permitirán alcanzar un diseño
óptimo.
- Modelación sistemática: La aplicación de este método, es conveniente a causa
del requerimiento de representar el comportamiento del sistema de bombeo con
metodologías de diseño previo su construcción.
- Métodos matemáticos - uso de tablas y gráficos estadísticos: En virtud de la
eficiencia de los sistemas de bombeo utiliza tablas y gráficos donde se comprueba
en forma visual las características del sistema.
Técnicas de recopilación de información
- Visita de campo: Es necesaria para definir la línea base del proyecto, su situación
actual, los elementos favorables o los que interfieren en el estudio técnico.
- Consulta bibliográfica: Se llevará a cabo para poder recopilar información
necesaria que permitan realizar el óptimo diseño; estará basada en normas e
investigaciones elaboradas a nivel nacional e internacional, usando material
actualizado.
- Encuesta: Se aplicará una encuesta para obtener un panorama general sobre la
percepción que tienen los usuarios-beneficiaros, se podrá conocer la factibilidad
o dificultad que presenta poseer un sistema de bombeo que utiliza energía eólica.
El modelo y los resultados de la encuesta aplicada se encuentran en el Anexo 1.
- Entrevista: Estará orientada a un ingeniero civil o mecánico, que posea
experiencia en el campo laboral o investigativo referente a los sistemas de bombeo
22
que emplean energía eólica. La entrevista será semiestructurada, con preguntas
formuladas en base a un guion, que permita al informante matizar sus respuestas
cuando se atisban temas emergentes que sea preciso explorar.
Procesamiento y análisis de datos
Dentro del procesamiento de información se empleará software que posea licencia
de dominio público, para ello se usarán los siguientes softwares mostrados en la Tabla
3.1.
Softwares de domino público
Nombre Versión Utilización Enlace
EPANET 2.0.12
Comprobación de los
cálculos del sistema de
bombeo
https://www.epa.gov/water-
research/epanet
QGIS 3.4.9
Análisis de datos
geoespaciales, para la
elaboración de mapas.
https://qgis.org/es/site/forusers
/download.html
WRPLOT 8.02 Análisis y elaboración de
la rosa de vientos.
https://www.weblakes.com/pro
ducts/wrplot/index.html
GRUNDFOS 1.44.14 Dimensionamiento en base
a catálogo de bombas
https://product-
selection.grundfos.com/
VALMATIC 10.0.2014
Ubicación de accesorios
(válvulas) para evitar
problemas de sobrepresión
https://www.valmatic.com/reso
urces/software/air-valve-
sizing-software
Tabla 3.1: Softwares de dominio público empleados.
Fuente: Autor
Recolección de datos
Con el fin de realizar la planificación del proyecto, se tomará en cuenta el análisis
detallado de los estudios técnicos, que servirán como una proyección para el diseño del
sistema de bombeo. La información se encuentra detallada en los siguientes estudios:
- Estudios topográficos.
- Estudios de suelos.
- Estudios meteorológicos.
Procesamiento de la información
Para el procesamiento de la información obtenida se aplicarán las siguientes técnicas.
23
- Tabulación de resultados: Se indicarán los resúmenes de las operaciones o
mediciones realizadas, recogiendo los valores parciales, totales o acumulados,
dentro del estudio técnico.
- Organizadores visuales: Se representará mediante una presentación visual los
aspectos significativos o de interés que comprenden el estudio técnico.
- Gráficos: Por medio de gráficos estadísticos se indicarán los resúmenes de las
operaciones y mediciones realizadas que comprenden al estudio técnico.
Características de la zona en estudio
Con la finalidad de satisfacer las demandas de nuevas áreas cultivables de la
comunidad de Pull-Quishuar, es necesario conocer varios parámetros que mediante
estudios técnicos permitirán satisfacer este requerimiento y garantizarán la efectividad
del proyecto. Comenzando desde la ubicación geográfica de la zona de estudio que se
muestra en la Figura 3.2 se puede limitar el área de influencia del proyecto para obtener
los parámetros meteorológicos como son la humedad relativa, velocidad, dirección del
viento y temperatura.
Adicionalmente como parte de la recolección de información relacionada con la
población, se analiza la demografía económica y social de la comunidad, debido a que
esta información ayuda a describir a la población y al proyecto como netamente
agronómico, que sustentan los estudios realizados.
Ubicación geográfica del proyecto
Debido a que no se encontraron evidencias bibliográficas que muestren la
presencia de estudios anteriores, y al no contar con una estación meteorológica cercana,
se efectuó un recorrido junto a la comunidad en el área considerada para el proyecto, en
donde se tomaron varios puntos GPS que servirán como referencia para limitación de la
zona de estudio y el área específica del proyecto de bombeo que emplea energía eólica,
como se muestra en la Figura 3.2.
24
La zona de estudio comprende desde la fuente captación ubicada en la cota 3775
m s.n.m. hasta el tanque de distribución ubicado en la cota 3780 m s.n.m. en donde se
encuentra línea de conducción, teniendo como longitud la línea de conducción 3.65 km.
Al emplear energía eólica para el funcionamiento energético del proyecto de
bombeo, que se indica en la Figura 3.2 respectivamente con un triángulo amarillo y
anaranjado, se analizaron 2 posibles zonas de implantación de los aerogeneradores,
siendo la primera a barlovento con una cota de 4160 m s.n.m., y la segunda a sotavento
con una cota de 3990 m s.n.m.; para cada una de estas zonas se efectuaron respectivos
estudios técnicos.
La Tabla 3.2 contiene las coordenadas y la elevación de los puntos GPS considerados en
la zona de estudio.
PUNTOS GPS DE LA ZONA DE ESTUDIO
NOMBRE COORDENADAS ELEVACIÓN
(m s.n.m) ESTE NORTE
FUENTE DE
CAPTACIÓN 741463 9783306 3775
ZONA EÓLICA A
BARLOVENTO 743136 9782269 4160
ZONA EÓLICA A
SOTAVENTO 741629 9782873 4990
TANQUE DE
DISTRIBUCIÓN 744409 9781516 3980
Tabla 3.2: Datos de coordenadas y elevaciones de los puntos GPS
Fuente: Autor
Figura 3.2: Ubicación geográfica del proyecto
Fuente: Autor
25
Aspectos demográficos y socioeconómicos
En la Gráfica 3.1 se observan los datos obtenidos mediante la encuesta
socioeconómica realizada a la comunidad, encuentra conformada por 38 familias, dando
un total de 223 habitantes.
Además, según lo expuesto en la Gráfica 3.2, se pudo verificar que el 50 % de las
familias poseen al menos entre 0.1 a 1 hectárea de área cultivable, el 34% poseen terrenos
menores a 0.1 hectáreas y solo un 16% posee terrenos mayores a 1 hectárea.
Gráfica 3.2: Área Cultivable en hectáreas por familia.
Fuente: Autor
16%
50%
34%
ÁREA CULTIVABLE EN HECTÁREAS POR FAMILIA
MENOR A 0.1 ENTRE 0.1 A 1 MAYOR A 1
0
2
4
6
8
10
12
14
16
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
Nú
mer
o d
e in
tegra
nte
s
Número de familias
NÚMERO DE INTEGRANTES POR FAMILIA
Gráfica 3.1: Número de integrantes por familia.
Fuente: Autor
26
Adicionalmente como lo indica la Gráfica 3.3, el 63 % declararon poseer
ingresos menores a $100, los datos analizados se encuentran a detalle en el Anexo 1.
Gráfica 3.3: Ingresos económicos por familia.
Fuente: Autor
Servicios Básicos
La infraestructura de los servicios básicos en el cantón Guamote comprenden, los
servicios de: electricidad, abastecimiento de agua, eliminación de basuras, servicio
telefónico y conexión al alcantarillado.
El abastecimiento de agua en el área rural mediante la red pública es del 41.58 %
siendo menor en comparación al abastecimiento de fuentes naturales como ríos o
vertientes que tienen un 47.36 %; con respecto al acceso del servicio eléctrico, solamente
el 79.58% de la población del cantón posee acceso al servicio; en cuanto respecta a la
eliminación de basuras el 74.49% de la población la quema y para el desecho de excretas
el 32.02% no posee instalaciones sanitarias conectadas al sistema de alcantarillado por lo
que el 25.54% de la población utiliza un pozo ciego, el 20.68% un pozo séptico, el
17.44% una letrina y solamente el 4.17 % tiene sus instalaciones sanitarias conectadas a
una red de alcantarillado (GAD Guamote, 2017).
Esta realidad del cantón Guamote, se ve reflejada en la comunidad de Pull-
Quishuar en donde el acceso a servicios básicos se limita a los pobladores que viven
cercanos al centro de la comunidad.
63%
34%
3%
INGRESOS ECONÓMICOS POR FAMILIA
Menor a $50 Entre $50 a $250 Mayor a $250
27
Vías de Acceso
El Gobierno Provincial de Chimborazo, con una inversión de 153 mil dólares en
el mes de octubre 2018, realizó la expansión del camino vecinal con una extensión de 5
km y 300 metros, con el objetivo de dejar la vía a nivel de lastrado, con cunetas naturales
y alcantarillas para el drenaje de agua lluvia. Esta obra fue orientada para beneficio de
las comunidades de Pull Grande, Pull Quishuar, Pull Manuel Lasso (GAD Chimborazo,
2018).
Identificación, descripción y diagnóstico del problema
En base a lo expuesto anteriormente, se puede evidenciar que la comunidad de
Pull-Quishuar se dedica principalmente a la agricultura y posee limitados recursos
económicos, para mejorar su calidad de vida y evitar que los jóvenes de la comunidad
emigren hacia otras regiones del país, busca potencializar su matriz agrícola por medio
de la utilización de nuevas áreas de cultivo, para ello necesitan captar agua de locaciones
dentro de límites de la comunidad, por lo cual mediante el estudio técnico se plateará la
localización de la fuente de captación a una distancia cercana al centro de la comunidad.
A causa de las características topográficas de la fuente de captación, para
transportar el fluido a un tanque de distribución, es necesario disponer de un sistema de
bombeo, el cual, al no contar con una fuente eléctrica cercana para su abastecimiento hace
Figura 3.3: Vía de acceso comunidad Pull Quishuar
Fuente: (GAD Chimborazo, 2018).
28
necesario que se busque una alternativa para su funcionamiento y así garantizar la
dotación del agua para riego.
Análisis de la situación actual
Para analizar la situación actual del proyecto, se presenta en la Tabla 3.3, el análisis del
de las fortalezas, oportunidades, debilidades y amenazas (FODA).
Fortalezas Oportunidades
Fuente de captación dentro de los límites de
la comunidad
Aumento de áreas de cultivo
Ubicación estratégica para implementar
aerogeneradores
Generación de empleo
Interés de la comunidad para el desarrollo del
proyecto
Mejoramiento de la calidad de vida
de los habitantes de la comunidad
Debilidades Amenazas
No existen estudios anteriores Disminución del caudal de aporte
Ausencia de datos meteorológicos Deterioro de las vías lastradas
Carencia de estudios topográficos Contaminación por actividad
humana en la fuente de captación de
agua
Inexistencia de estudios de suelos -
Limitado caudal de captación -
Vías lastradas -
Suelo de baja capacidad portante -
Zona de difícil acceso -
Tabla 3.3: Análisis del FODA
Fuente: Autor
Línea base del proyecto
Este proyecto se centrará en el diseño del sistema de bombeo, que, al no contar
con acceso a la red eléctrica, utilizará la energía producida mediante un sistema de
generación eólica; para ello se elaborarán los siguientes estudios técnicos que
garantizarán el funcionamiento del sistema.
- Estudios topográficos.
- Estudio de suelos.
- Estudios meteorológicos.
- Costo de energía para el sistema de bombeo.
- Generación eléctrica en base al potencial eólico.
29
Estudios Topográficos
En este proyecto se requiere conocer las cotas y distancias del terreno, para ello
se hace foco en el estudio de la topografía por los principios y procesos que brindan la
posibilidad de trasladar a un gráfico las particularidades de la superficie ya sean naturales
o artificiales.
Estudio de Suelos
Este proyecto dará a conocer las características físicas y mecánicas del suelo, así
como el tipo de cimentación más acorde con la obra a construir y los asentamientos de la
estructura en relación al peso que va a soportar.
Estudios Meteorológicos
El objetivo de la recolección de datos meteorológicos servirá para elaborar las
bases de diseño y en menor medida, obtener un pronóstico del tiempo a medio plazo. Para
ello es necesario un estudio de los cambios atmosféricos que se producen a cada momento
en la zona de implantación del proyecto, utilizando parámetros como la temperatura del
aire, humedad, presión atmosférica, temperatura, el viento o las precipitaciones.
Selección del sistema de energía mediante generación eólica
Con la finalidad de determinar la zona donde se implantará el sistema de
generación eólica, dado que presenta una baja confiabilidad la toma de datos de las
estaciones meteorológicas de la región, ya que, por su localización y ubicación en cotas
inferiores de la zona de estudio, hace necesario emplear los estudios meteorológicos
realizados en campo, para posteriormente ser comparados con los datos satelitales
presentes en diversos portales internacionales.
Los resultados emitidos, se presentarán en un informe técnico, que se limita a
garantizar los detalles para la selección del equipo, con el propósito de dotar energía para
el sistema de bombeo en base al criterio de ingeniería civil, sustentado por una memoria
de cálculo, manual de operaciones y planos a detalle.
Análisis de la generación eléctrica en base al potencial eólico
Para poder conocer la energía que produce el sistema eólico y garantizar una
energía firme, se realizará una matriz de alternativas en base a la selección del sistema
30
de generación eólica, para obtener la mejor solución en base a las condiciones locales
del proyecto.
Demanda energética para el sistema de bombeo
Dentro de lo establecido en la ejecución del diseño para el sistema de bombeo, a
causa de la inexistencia de estudios anteriores, se iniciará con la información obtenida
mediante la visita de campo que ayudará a definir la línea de conducción, las cotas de los
tanques y las posibles zonas donde se ubicarán las estaciones de bombeo. Posteriormente
con el apoyo de los estudios topográficos se realizará el diseño definitivo del sistema de
bombeo que contará con un informe técnico, conformado por una memoria de cálculo,
manual de operaciones y planos a detalle del sistema.
En base a los cálculos realizados para el sistema de bombeo se determinará la
demanda de energía real del sistema de bombeo.
Indicadores de resultados
En base a lo expuesto anteriormente, para demostrar la factibilidad del proyecto,
en la gráfica 3.4 se lo ha categorizado en tres etapas que presentan cada uno de sus
componentes en porcentaje de importancia para el proyecto. Adicionalmente en la tabla
3.4, se indica el tiempo empleado para la elaboración de cada etapa.
Gráfica 3.4: Diagrama de Sankey para la factibilidad del proyecto.
Fuente: Autor
31
Tabla 3.4: Delimitación temporal de las etapas del proyecto
Fuente: Autor
Delimitación temporal de las etapas del proyecto
Meses
Etapas Categorías
Nivel 1
Categorías
Nivel 2 1 2 3 4 5 6
1
Análisis de
la zona de
estudio
Presencia de
estudios
anteriores
Visita de
Campo /
Búsqueda
bibliográfica
50% 100% - - - -
Análisis de la
población
Visita de
Campo /
Búsqueda
bibliográfica
50% 100% - - - -
Encuesta de
población del
proyecto
Visita de
Campo /
Trabajo de
oficina
50% 100% - - - -
2 Estudios
Técnicos
Estudios
Topográficos
Estudio en
campo/ Oficina 30% 60% 100% - - -
Estudios de
Suelos
Estudio en
campo/
Laboratorio
40% 100% - - - -
Estudios
Meteorológicos
Estudio en
campo/
búsqueda
satelital
25% 50% 75% 100% - -
3 Resultados
Selección del
sistema de
energía mediante
generación eólica
Estudio en
oficina - - 10% 30% 60% 100%
Resultados en
Tablas y
Gráficos
- - - 20% 60% 100%
Análisis de la
generación
eléctrica en base
al potencial eólico
Estudio en
oficina - - 10% 30% 60% 100%
Resultados en
Tablas y
Gráficos
- - - 20% 60% 100%
Demanda
energética para el
sistema de
bombeo
Memoria de
cálculo - - 10% 30% 60% 100%
Manual de
operaciones - - - - 50% 100%
Planos - - - 10% 50% 100%
Presupuesto del
proyecto
Tablas y
Anexos - - - - 50% 100%
32
CAPÍTULO 4: ANÁLISIS DEL POTENCIAL EÓLICO EN LA ZONA DE
ESTUDIO
Introducción
La selección de los aerogeneradores depende de diferentes elementos que han sido
analizados. Entre los principales, tenemos los factores meteorológicos tales como
velocidad del viento, y su dirección. La velocidad del viento depende a su vez de
complejos procesos atmosféricos en los que intervienen la rugosidad de la superficie del
suelo, la temperatura, la humedad y cuya interacción que están fuera del alcance de este
estudio. Otra limitación es el déficit de estaciones meteorológicas cercanas a las zonas de
estudio por lo que se recurrió a obtener información satelital para la analizar el potencial
eólico en la zona de estudio.
Estudios Técnicos
Estudios Topográficos.
Para la elaboración del proyecto se realizó de un levantamiento topográfico de la zona
de posible implantación del proyecto, con el fin de disponer de información necesaria
para los posteriores estudios.
El área de influencia para la realización del proyecto de riego es 297 hectáreas, que
corresponde a la zona de estudio como se indica en la Figura 4.1, en donde se ha utilizado
la metodología de levantamiento de puntos por medio del RTK (Navegación Cinética
Satelital en Tiempo Real), obteniendo en los puntos de medición, por medio de vectores
tridimensionales, la distancia, dirección y un diferencial de altura.
La ubicación del proyecto Eólico se encuentra dentro la zona de influencia descrita
en el diseño de la conducción del proyecto de riego. El área de influencia y la ubicación
de las zonas eólicas están expuestas en la Figura 4.1. Los detalles de dichas zonas en
función del proyecto general de riego están incluidos en el levantamiento señalado en
Anexo_3.
33
Estudio de suelos.
Con la finalidad de evitar problemas en la construcción, se efectuó un estudio de
suelos permitiendo conocer las características físicas y mecánicas del suelo de la zona de
estudio, para ello, se realizó los ensayos mostrados en la Tabla 4.1 Para la toma de
muestras se llevó en práctica el método de calicatas. Los resultados obtenidos están
detallados en el Anexo 2.
Ensayos de Suelos
Tipo Norma Resultados Detalles
Ensayos de
Clasificación
ASTM
D287-06
SUCS MH Anexo
3_B AASHTO A-7-5
IG (86) 24
Compresión
Simple
ASTM
D2166
Resistencia a la
compresión
simple (qu)
qu= 0.36 kg/cm2 Anexo
3_C
Triaxial no
consolidado
no drenado
ASTM
D2850
Resistencia al
cortante
Curva de
deformación (ver
Anexo)
Anexo
3_D
Tabla 4.1: Detalle de los ensayos de suelos realizados.
Fuente: Autor
Figura 4.1: Mapa de la zona de estudio
Fuente: Autor
34
De los resultados obtenidos mediante los ensayos de suelos se puede determinar que
el suelo de la zona de estudio es, un limo de alta plasticidad con una baja capacidad
portante, siendo clasificado por la Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC) como
clase D, por lo que hace necesario realizar un mejoramiento de suelos en caso de
emplearlo para estructuras especiales.
Estudios Meteorológicos
El estudio meteorológico ha sido enfocado en la toma de datos de temperatura,
humedad relativa, dirección y velocidad del viento; para ello se lo ha clasificado en tres
etapas como se detalla en la Tabla 4.2, estableciendo para la etapa 1, mediciones
preliminares que contó con la ayuda de voluntarios de la comunidad; en la etapa 2 se
efectuó la visita de campo a la zona de estudio como se detalló en el cronograma de la
sección 3.20 , y finalmente para la etapa 3 se utilizó datos provenientes de satélites para
obtener una tendencia anual.
35
Etapa Trabajo
Realizado Frecuencia Fecha Datos obtenidos Resultados alcanzados
1
1_A Medición en
campo 3 veces al día
12 al 19 de
agosto 2018
Temperatura Gráficas de (temperatura, humedad
relativa). Humedad relativa
Velocidad máxima y
promedio del viento Elaboración de la rosa de vientos.
Dirección predominante del
viento
Delimitación de los posibles puntos para
la zona a barlovento.
1_B Medición en
campo 1 vez al día
15 al 30 de
noviembre
2018
Temperatura Gráficas de (temperatura, humedad
relativa). Humedad relativa
Velocidad máxima y
promedio del viento Delimitación de los posibles puntos para
la zona a barlovento. Dirección predominante del
viento
2 Medición en
campo 1 vez al día
04 al 28 de
febrero 2019
Temperatura Gráficas de (temperatura, humedad
relativa). Humedad relativa
Velocidad máxima y
promedio del viento Datos de la zona a barlovento y
sotavento. Dirección predominante del
viento
3
Tendencia anual
de datos basados
en satélites
Cada 3 horas
01 de abril
2017 al 01
abril 2019
Velocidad máxima y
promedio del viento Velocidad y dirección del viento
utilizada para la selección de
aerogeneradores Dirección predominante del
viento
Tabla 4.2: Detalle de las etapas para estudios meteorológicos.
Fuente: Autor
36
4.2.3.1. Etapa 1
Según lo descrito en la tabla 8, los datos obtenidos para la etapa 1 corresponden a
tres lugares Verde Guaico, Tío Pongo y Pecamos Loja que se encuentran dentro de la
zona eólica a barlovento, cuya ubicación se indica en la Figura 4.2. Para ver detalles
revisar el Anexo 3.
Debido a la cercanía de los tres sitios de medición que conforman la zona eólica
a barlovento, los resultados obtenidos se presentarán en conjunto. las características de
los sitios analizados se detallan en la Tabla 4.3.
SITIOS ESTUDIADOS DE LA ZONA EÓLICA A BARLOVENTO
Nombre Coordenadas UTM Elevación
m s.n.m. Simbología
ESTE SUR
Verde Guaico 743127.24 9782333.11 4160
Tío Pongo 743156.23 9782190.07 4156
Pecamos Loma 743136.00 9782269.00 4158
Tabla 4.3: Detalle de los sitios de medición para la etapa 1.
Fuente: Autor
Figura 4.2: Mapa zona eólica a barlovento etapa 1
Fuente: Autor
37
La Tabla 4.4, indica la mediana de los valores obtenidos en campo en el mes de
agosto, donde se realizó 3 mediciones al día durante una semana, en cada uno de los
puntos en la zona eólica a barlovento. Para ver a detalle las mediciones en Anexo 4.
Mes Lugar
Velocidad
promedio Dirección Temperatura
Humedad
Relativa
Km/h Compás-XXX º C %Rh
Agosto
Pecamos
Loma 21.55 83.5 ENE 5.40 76.8
Tío Pongo 27.48 88 ENE 4.35 82.7
Verde
Guaico 22.95 87 ENE 4.90 86.65
PROMEDIO 24.0 86.17 ENE 4.88 82.05
Tabla 4.4: Resumen de mediciones etapa 1_A.
Zona eólica a barlovento del 15 al 24 de agosto 2018.
Fuente: Autor
En las gráficas 4.1, 4.2 y 4.3, se presentan las rosas de vientos, elaboradas a partir
de las mediciones de velocidad promedio y dirección del viento, en los puntos de la zona
eólica a barlovanto, se puede destacar que la dirección predominate se encuentra con
vientos que se dirigen hacia ESE( ESTE-SUR-ESTE) y ENE (ESTE-NORTE-ESTE).
Detalle de las mediciones ver Anexo 4_B
Gráfica 4.1: Rosa de vientos Pecamos Loma.
Zona a barlovento del 15 al 24 de agosto 2018.
Fuente: Autor
38
Gráfica 4.2: Rosa de vientos Tío Pongo.
Zona a barlovento del 15 al 24 de agosto 2018.
Fuente: Autor
Gráfica 4.3: Rosa de vientos Verde Guaico.
Zona a barlovento del 15 al 24 de agosto 2018.
Fuente: Autor
La Tabla 4.5, muestra la mediana de los valores obtenidos en campo en el mes de
noviembre, mes en el cual se realizó una medición diaria durante dos semanas, en cada
uno de los puntos en la zona eólica a barlovento. Detalle las mediciones ver Anexo 4_A
39
Mes Lugar
Velocidad
promedio Dirección Temperatura
Humedad
Relativa
Km/h Compás-XXX º C %Rh
Agosto
Pecamos
Loma 6.5 116 ESE 11.3 70.1
Tío Pongo 19.7 99 ESE 12.0 67.5
Verde
Guaico 12.0 122 SE 13.1 67.1
PROMEDIO 12.73 112.3 ESE 12.13 68.23
Tabla 4.5: Resumen de mediciones etapa 1_B.
Zona eólica a barlovento del 15 al 30 de noviembre
Fuente: Autor
4.2.3.2. Etapa 2
Para la etapa 2, se realizó la visita de campo durante el mes de febrero 2019, en
donde se analizó la posiblidad de tomar datos de una zona más cercana a la fuente de
captación, por lo que se elaboró un estudio de las zonas a barlovento y a sotavento, como
se indica en la Figura 4.3 y se detalla en la Tabla 4.6.
Figura 4.3: Mapa de las zonas eólicas etapa 2
Fuente: Autor
40
Zona eólica Área
Distancia
hasta la
captación
Punto de
Medición
Coordenadas UTM Elevación
ha Km ESTE SUR m s.n.m.
Barlovento 1.23 1.98
Verde
Guaico 743127.24 9782333.11 4160
Tío Pongo 743156.23 9782190.07 4156
Pecamos
Loma 743136.00 9782269.00 4158
Sotavento 0.71 0.42 Loma de
Escalera 741629.00 9782873.00 3992
Tabla 4.6: Detalle de los sitios de medición para la etapa 2.
Fuente: Autor
En la Tabla 4.7, se presenta la mediana de los valores obtenidos en campo en el
mes de febrero, donde se realizó 1 medición al día desde 04 al 28 de febrero del 2018, en
cada uno de los puntos de las zonas eólicas. Para ver a detalle las mediciones en Anexo
4_A.
Mes Zona Lugar
Velocidad
promedio Dirección Temp.
Humedad
Relativa
Km/h Compás-XXX ºC %Rh
Febrero
Barlovento
Pecamos
Loma 23.5 92 ESE 11.30 72.20
Tío
Pongo 26.6 88 ENE 10.70 74.40
Verde
Guaico 21.3 92 ESE 11.38 73.25
PROMEDIO 23.8 90.7 E 11.27 73.28
Sotavento Loma de
Escalera 25.4 74 ENE 12.20 66.80
Tabla 4.7: Resumen de mediciones etapa 2.
Zonas eólicas del 04 al 28 de febrero 2019.
Fuente: Autor
4.2.3.3. Etapa 3
Debido a que los datos meteorológicos de las estaciones cercanas ubicadas en la
cuidad de Riobamba, no son representativos para el estudio, se recurrió al uso de la
información satelital. Para ello se obtuvo el análisis de datos que se indican en la tabla
4.8, en la que se presentan las diferentes fuentes DTU y MERRA-2. En base a su grado
de confianza se determina la velocidad media del área del proyecto, para así poder generar
el estudio de producción eólica.
41
# Fuente de
Datos
Altura
medición Grado de
Confianza
Dispersión
zona
Rosa de
vientos
Variación
Mensual m
1 DTU 50 80.00% ± 3.45 no
dispone no dispone
2 MERRA-2 50 50.00 % ± 2.43 si si
Tabla 4.8: Fuentes de datos etapa 3.
Fuente: Autor
De acuerdo a la información de la tabla 4.8, el portal de la Universidad Técnica
de Dinamarca (DTU) presenta el mayor grado de confianza, pero se limita a emitir
resultados como la rosa de vientos y una variación mensual, por lo que para el análisis
del estudio de producción eólica se tomarán en cuenta los resultados expuestos por el
portal MERRA-2 y que posee una base datos históricos que permite obtener el cálculo
de la velocidad media entre un intervalo de tiempo.
A través del portal en linea de la DTU, se obtuvo el mapa eólico del Ecuador que
se presenta en la Gráfica 4.4, por medio de las coordenadas UTM se realizó el análisis de
la zona de estudio que comprueban la idoneidad para la implementación de generadores
eólicos, ya que se tiene el 80% de grado de comfianza. Para ello en la Tabla 4.9, se indica
los valores de la velocidad del viento, el factor de capacidad IEC (factor medido según la
Internacional Electrotechnical Commission, que sirve para regular dispositivos de
distribución de baja tensión), el factor de rugosidad del viento. Para mayor información
se detalla ver Anexo 4_C.
DATOS OBTENIDOS DEL PORTAL DTU
Zona Eólica
Velocidad del
Viento
Rugosidad
Viento Factor de Capacidad IEC
m/s m Clase I Clase II Clase III
Barlovento 9.50 0.3 45.0% 46.0% 50%
Sotavento 8.75 1 41.3% 42.0% 46%
Tabla 4.9: Datos satelitales etapa 3 portal DTU.
Fuente: Autor
Por medio del portal de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) que emplea
mapas satelitales se ha conseguido los valores expuestos en la Tabla 4.9, para la zona a
barlovento y sotavento, en donde se evidencia que para la zona a barlovento se tiene una
mejor capacidad de generación eólica por su baja rugosidad de viento de 0.3 m. Para ver
detalle de los mapas satelitales de cada medición ver Anexo 4_B.
42
Gráfica 4.4: Mapa eólico del Ecuador.
Fuente: Global WIND ATLAS
43
Adicionalmente, se efectuó un análisis histórico de vientos, obtenido a través del
portal en linea de la “Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications”,
que utiliza una asimilación del modelado globlal de datos a travez de los satélites de la
NASA (MERRA-2). Con ello se consiguó las mediciones de vientos en el intervalo de
tiempo que inicia el 01 de enero del 2008 hasta el 01 de abril del 2019, obteniendo la
mediana del periodo analizado como se indica en la Gráfica 4.5, de un total de 136
mediciones dando como resultado el valor de 5.3 m/s.
Selección del aerogenerador
Para la selección del aerogenerador, se parte desde la ubicación seleccionada a
barlovento en el análisis de las tres etapas de los estudios meteorológicos, tomando como
constante el valor de rugosidad de 0.3 m de la Tabla 4.9, para ello como se indica en la
Tabla 4.10 se ha determinado en base a los promedios de las tres etapas que la velocidad
del viento es de 6.34 m/s y un mejor comportamiento en la clase III para el factor de
capacidad IEC que clasifica a los aerogeneradores.
DATOS EN BASE A LA METEOROLOGÍA PARA LA SELECCIÓN DE AEROGENERADORES
ZONA ETAPAS
Velocidad del Viento Factor
Weibull
(K)
Factor de Capacidad IEC
kph m/s Clase I Clase
II
Clase
III
Barlovento
Etapa
1
1_A 24.00 6.67 - - - -
1_B 12.73 3.53 - - - -
Etapa
2 23.8 6.61 - - - -
Etapa
3
MERRA-2 - 5.4 1.0 - - -
DTU - 9.5 2.3 45.0% 46.0% 50%
PROMEDIO 6.34 1.7 45.0% 46.0% 50.0%
Tabla 4.10: Datos generales para la selección de aerogeneradores
Fuente: Autor
Gráfica 4.5: Velocidades de viento portal MERRA-2.
Desde enero 2008 hasta abril 2019
Fuente: Merra-2
44
Con el fin de obtener la mejor selección de aerogeneradores, empleando los
valores de la Tabla 4.10, se obtiene la distribución de Weilbull que representa la curva
característica de los vientos predominantes durante un año. Para el presente estudio, se ha
acudido al software libre System Advisor Model (SAM), que permite visualizar la curva
característica de la distribución de Weibull para un viento anual de 6.34 m/s y un factor
K igual a 1.7 como se muestra en la Figura 4.4.
La zona alta de la comunidad Pull Quishuar al ser una zona eólica pequeña, y al
tener un mejor comportamiento con el factor de capacidad IEC Clase III, con base a lo
sugerido en la Norma IEC.61400-2 ED. Se considerarán las características definidas en
dicha norma, que delimitarán la selección de aerogeneradores. Con el análisis de la
información anteriormente expuesto se define que los aerogeneradores pueden alcanzar
una potencia de máxima salida del aerogenerador de 37.5 kW.
Al no contar con fabricantes nacionales de aerogeneradores, en la Tabla 4.11, se
han seleccionado cinco tipos, de la base de datos del System Advisor Model (SAM), de
los cuales han sido clasificados en base a su curva de potencia de la turbina y la velocidad
del viento. Para ver detalles del catálogo de aerogeneradores en base a las características
de los vientos de la zona de estudio revisar el Anexo 5.
Figura 4.4: Distribución de Weibull
Fuente: SAM
45
TIPOS DE AEROGENERADORES DE POTENCIA NOMINAL MENOR A 37.5 KW
# Compañía Turbina
de viento Origen
Potencia
nominal
de salida
Diámetro
del rotor
Altura de
la torre
Peso de
la
turbina
kW m m kg
1 ReDriven ReDriven
20 kw
Reino
Unido 22.16 12 20 1855
2
C&F
Green
Energy
CF20 Irlanda 21.30 13 20 1000
3
Wind
Turbine
Industries
Corp
Jacobs
31-20 USA 20.0 9.45 20 1100
4
C&F
Green
Energy
CF15 Irlanda 15.0 13 20 1000
5 Enair Enair 200 España 20.0 9.8 20 1000
Tabla 4.11: Clasificación de aerogeneradores
Fuente: Autor
La Tabla 4.12 contiene un resumen de la energía producida en 5 casos de
aerogeneradores clase 3. La capacidad de energía producida en los cuatro casos ReDriven
20 kw , CF20, Jacobs 31-20 y CF15 se ha calculado con ayuda del software libre System
Advisor Model (SAM) el potencial energético diario, mensual y anual para el caso de una
turbina que posea un 10% de pérdidas. Las pérdidas se pueden generar debido a los
efectos de la rugosidad sobre la velocidad del viento. Para el último caso de la turbina
Enair 200, fue calculada con conservando los parámetros de la Tabla 4.10 con el software
libre (Atlas Eólico). Para ver detalles de los aerogeneradores en base a las características
de los vientos de la zona de estudio revisar el Anexo 5.
46
ENERGÍA PRODUCIDA MEDIANTE AEROGENERADORES (kW)
# Turbina de
viento
Diario Mensual Anual Detalles
Mínimo Máximo Promedio Mínimo Máximo Promedio Mínimo Máximo Promedio
1 ReDriven
20 kw 139.81 154.79 151.87 4252.46 4708.09 4619.49 51029.52 56497.08 55433.93 Anexo 5_B
2 CF20 140.65 155.71 152.78 4277.97 4736.33 4647.20 51335.64 56835.96 55766.44 Anexo 5_B
3 Jacobs 31-20 89.80 99.42 97.55 2731.37 3024.01 2967.11 32776.44 36288.12 35605.28 Anexo 5_B
4 CF15 138.35 153.17 150.29 4208.20 4659.07 4571.40 50498.4 55908.84 54856.81 Anexo 5_B
5 Enair 200 104.94 200.22 145.24 3192.00 6090.00 4417.58 38304 73080 53011 Anexo 5_B
Tabla 4.12: Energía producida mediante aerogeneradores
Fuente: Autor
47
Además del análisis anterior, se presenta en la Figura 4.5 los valores promedio de
energía diaria obtenidos de la Tabla 4.12, en donde se observa que el pico mínimo
corresponde a la turbina Jacobs 31-20 con 97.55 kW/día, y los picos máximos de energía
diaria corresponden a las turbinas ReDriven 20kw, CF20 y CF15 que superan los 150
kW/día, por lo que para la selección de equipo hace necesario utilizar una tabla
multicriterio descrita en la siguiente sección.
4.2.5 Matriz de selección de alternativas
En base a una matriz de alternativas, se ha considerado cinco parámetros con 14
subcriterios, como se detalla en la Tabla 4.13. Debido a la ausencia de este tipo de estudios
en esta zona se escogió que la energía diaria producida posee el 40% de valoración y el
costo del equipo un 25% del total de la matriz.
Los resultados obtenidos mediante la matriz de alternativas, se presentan en la
Tabla 4.14. Se evidencia que el aerogenerador Enair 200 obtiene la valoración más alta
con un 89%, este posee mayor vida útil y ofrece una alternativa más atractiva en cuantos
a costos. De similar condición la Tabla 4.14, indica que los aerogeneradores ReDriven
20 kw y Jacobs 31-20, poseen una valoración inferior al 65% siendo descartados para
futuras consideraciones.
Figura 4.5: Energía diaria producida mediante aerogeneradores
Fuente: Autor
151.87
152.78
97.55
150.29
145.24
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00
ReDriven 20 kw
CF20
Jacobs 31-20
CF15
Enair 200
kW/día
Aer
oge
ner
ado
r
ENERGÍA PRODUCIDA MEDIANTE AEROGENERADORES
48
MATRIZ DE VALORACIÓN DE ALTERNATIVAS PARA LA SELECCIÓN DE
AEROGENERADORES
# Ítem Valoración Descripción
Parcial Total
1 Facilidad de
adquisición
1A En el Ecuador 8%
8%
Corresponde a la facilidad para
adquirir el equipo y la
disponibilidad y velocidad para
contratar sus servicios que requiere
conocimientos técnicos y la
experiencia necesaria para realizar
mantenimiento o reparar daños.
1B En el continente
americano 5%
1C Otros 2%
2 Certificación
de calidad
2A Dispone 10% 10%
La presencia de una certificación de
calidad según la normativa aplicada
en el país de origen de la empresa,
garantiza la eficiencia y durabilidad
del equipo. Al diferenciarse entre
países solo se tomará en cuenta si
dispone o no con una certificación
de calidad. 2B No dispone 0%
3
Energía
diaria
producida
3A Mayor a 150
kW/día 40%
40% La energía producida corresponde a
los valores de la gráfica 4 3B
Entre 125 a 150
kW/día 35%
3C Menor a 125
kW/día 15%
4 Vida útil
4A Mayor a 25 años 17%
17%
Es el periodo de tiempo que se
estima que el aerogenerador se
mantenga en operabilidad.
4B Entre 20 a 25 años 10%
4C Menor a 20 años 5%
5 Costos
5A
Incluye
aerogenerador +
torre de celosía +
instalación
eléctrica
25%
25%
Algunos fabricantes incluyen el
costo total del aerogenerador con la
celosía e instalación eléctrica, que
facilita la estimación de precios
unitarios incluyéndolo en un solo
rubro. 5B
Incluye
aerogenerador+
instalación
eléctrica
20%
5C Solo
aerogenerador 15%
Total 100%
Tabla 4.13: Matriz de valoración de alternativas.
Fuente: Autor
49
MATRIZ DE VALORACIÓN DE ALTERNATIVAS PARA LA SELECCIÓN DE AEROGENERADORES
# Aerogenerador
Facilidad de
adquisición
Certificación
de calidad
Energía diaria
producida Vida útil Costos Total
1A 1B 1C 2A 2B 3A 3B 3C 4A 4B 4C 5A 5B 5C %
1 ReDriven 20 kw - - 2% - 0% 40% - - - - 5% - - 15% 62%
2 CF20 - - 2% 10% - 40% - - - 10% - - 20% - 82%
3 Jacobs 31-20 - 5% - 10% - - - 15% - 10% - - - - 40%
4 CF15 - - 2% 10% - 40% - - - 10% - - 20% - 82%
5 Enair 200 - - 2% 10% - - 35% - 17% - - 25% - - 89%
Tabla 4.14: Resultados de la matriz de valoración de alternativas.
Fuente: Autor
50
CAPÍTULO 5: DETERMINACIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA PARA
EL SISTEMA DE BOMBEO
Introducción
El diseño del sistema de bombeo garantizará el transporte del fluido desde la fuente
de captación hasta el tanque de almacenamiento, al ser un proyecto integrador se han
analizado varios factores en conjunto con los otros proyectos de estudio, a partir del
estudio topográfico que establecerá las bases de diseño del sistema.
El proyecto de riego posee 297 hectáreas, que corresponde a la zona de estudio como
se indica en la figura 5.1, en donde se evidencia un posible trazado de la conducción, que
parte desde una fuente de captación localizada en una cota de 3755 m s.n.m. hasta el
tanque de distribución ubicado en la cota 4155 m s.n.m. Para ver detalles en Anexo 3
Condiciones para el diseño del sistema de bombeo
Del estudio topográfico se tiene que la altura dinámica de bombeo es de 400 m desde
la captación hasta el tanque de distribución, para ello se plantea que para el sistema de
bombeo se efectué a través de tres tramos se indica en la Figura 5.2, obteniendo 3
estaciones de bombeo acompañadas de un tanque de almacenamiento.
Figura 5.1: Mapa de la zona de estudio para el sistema de bombeo.
Fuente: Autor
51
Figura 5.2: Perfil longitudinal de la línea de conducción
Fuente: Autor
5.2.2 Cálculo hidráulico
En base a los criterios hidráulicos y la metodología de cálculo, mencionada en el
marco teórico se procede a realizar el procesamiento de datos del sistema de bombeo para
cada uno de los tramos, con el fin de obtener la potencia necesaria para el funcionamiento
del motor de la bomba y las cualidades de la tubería de conducción.
Con el fin de conocer el consumo energético del sistema de bombeo, se ha
realizado un cálculo para cuatro caudales entre 5 l/s a 20 l/s, en donde se muestra el
cálculo tipo para el caudal de 5 l/s, y en las Tablas 5.1, 5.2, 5.3 y 5.4 se presenta el resumen
de la memoria de cálculo de cada uno de los caudales.
Para ello el resumen del cálculo del sistema de bombeo, se ha clasifica mediante
5 categorías y 26 subcategorías, partiendo desde las características generales de cada
tramo, seguido por las condiciones de referencia del sistema en donde se establece la
temperatura media de 15 ºC, obtenida in situ. Para ver detalles del cálculo tipo de la tabla
5.1, se explica para un caudal de 5 l/s en su primer tramo de la conducción de bombeo,
revisar el Anexo 6.
52
MEMORIA DE CÁLCULO DEL SISTEMA DE BOMBEO
PARA UN CAUDAL DE 5 l/s
# Categoría
Nivel 1
Categoría
Nivel 2 Ítem Unidades Ecuación
Tramos
Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3
1 Generalidades
del tramo
1A Elevación sobre
el nivel del mar m - 3775 3901 4028
1B Longitud del
tramo m - 282.31 691.35 1111.78
2 Condiciones de
Referencia
2A Presión
atmosférica m c.a. 1 6.45 6.35 6.25
2B
Temperatura
media del
fluido
º C - 15 15 15
2C Presión vapor
de agua m c.a. 2 0.17 0.17 0.17
2D Peso específico
del fluido kg/m3 - 1000 1000 1000
3 Datos de inicio
3A Cota de inicio m - 3775 3901 4028
3B Cota final m - 3901 4028 4155
3C Altura del
tanque m - 2 2 2
3D Caudal de
diseño l/s - 5 5 5
3E Coeficiente
rugosidad - - 140 140 140
3F Horas de
bombeo h - 8 8 8
4 Configuración de
sistema
4A Factor de
bombeo - 3 0.33 0.33 0.33
4B
Diámetro de la
tubería
impulsión
mm 4 75 75 75
4C Velocidad m/s 5 1.23 1.23 1.23
4D Altura de
impulsión m 6 126 127 127
4E Altura succión m - 0.5 0.5 0.5
4F
Altura
geométrica del
tanque
m 7 128.5 129.5 129.5
4G
Longitud de la
línea de
impulsión
m 8 284.31 693.35 1113.78
4H Pérdidas totales
en impulsión m 15 6.68 16.11 25.80
4I
Longitud de la
tubería de
succión
m - 1.50 1.50 1.50
4J Diámetro de la
tubería succión mm - 75 75.00 75.00
4K Pérdidas totales
en succión m 16 3.76 3.76 3.76
5 Característica de
la bomba
5A Altura dinámica
de bombeo m 17 138.44 148.87 158.56
5B Potencia de la
bomba kW 18 8.93 9.61 10.23
5C Potencia del
motor Hp 19 11.98 12.89 13.73
5D
Consumo diario
de energía
(8 horas de
bombeo)
kW/día 20 71.48 76.86 81.87
Tabla 5.1: Resumen de la memoria de cálculo para un caudal de 5 l/s.
Fuente: Autor
53
Del análisis de la Tabla 5.1, que corresponde al caudal de diseño 5 l/s, se tiene
que, el diámetro de la tubería de impulsión para los tres tramos es de 75 mm en donde,
las longitudes para cada tramo corresponden a 282.31 m para el tramo 691.35 m, en el
tramo 2 de y 1111.78 m en el tramo 3.
Adicionalmente la Tabla 5.1, manifiesta que la potencia del motor máxima para
los tres tramos de 13.73 Hp que representa un consumo de energía para 8 horas de bombeo
81.87 kW/día por estación de bombeo de, sumando un total de 230.21 kW/día de energía
requerida para el sistema de bombeo que utiliza el caudal de 5 l/s. Para ver detalles del
cálculo tipo de la tabla 5.1, se explica para un caudal de 5 l/s en su primer tramo de la
conducción de bombeo, revisar el Anexo 6.
En lo que respecta al caudal diseño de 10 l/s, el análisis de los resultados de la
Tabla 5.2, evidencia que la potencia máxima para los tres tramos posee el valor de 25.37
Hp, que para un consumo de energía de 8 horas de bombeo equivale a 151.29 kW/día por
estación de bombeo, ocupando un el total de 436.38 kW/día para el funcionamiento del
sistema de bombeo.
Del análisis la Tabla 5.3, perteneciente al caudal de diseño de 15 l/s, se tiene que
la potencia máxima para los tres tramos corresponde a 36.64 Hp, que para un consumo
de energía de 8 horas de bombeo equivale a 218.52 kW/día por estación de bombeo,
ocupando un el total de 637.9 kW/día para el funcionamiento del sistema de bombeo.
Adicionalmente, en la Tabla 5.4, evidencia los resultados obtenidos mediante el
caudal de diseño de 20 l/s, se observa que la potencia máxima para los tres tramos es de
51.91 Hp, que para un consumo de energía de 8 horas de bombeo equivale a 309.59
kW/día por estación de bombeo, ocupando un el total de 889.93 kW/día para el
funcionamiento del sistema de bombeo.
54
MEMORIA DE CÁLCULO DEL SISTEMA DE BOMBEO
PARA UN CAUDAL DE 10 l/s
# Categoría
Nivel 1
Categoría
Nivel 2 Ítem Unidades Ecuación
Tramos
Tramo
1
Tramo
2
Tramo
3
1 Generalidades del
tramo
1A Elevación sobre
el nivel del mar m - 3775 3901 4028
1B Longitud del
tramo m - 282.31 691.35 1111.78
2 Condiciones de
Referencia
2A Presión
atmosférica m c.a. 1 6.45 6.35 6.25
2B
Temperatura
media del
fluido
º C - 15 15 15
2C Presión vapor
de agua m c.a. 2 0.17 0.17 0.17
2D Peso específico
del fluido kg/m
3 - 1000 1000 1000
3 Datos de inicio
3A Cota de inicio m - 3775 3901 4028
3B Cota final m - 3901 4028 4155
3C Altura del
tanque m - 2 2 2
3D Caudal de
diseño l/s - 10 10 10
3E Coeficiente
rugosidad - - 140 140 140
3F Horas de
bombeo h - 8 8 8
4 Configuración de
sistema
4A Factor de
bombeo - 3 0.33 0.33 0.33
4B
Diámetro de la
tubería
impulsión
mm 4 110 110 110
4C Velocidad m/s 5 1.14 1.14 1.14
4D Altura de
impulsión m 6 126 127 127
4E Altura succión m - 0.5 0.5 0.5
4F
Altura
geométrica del
tanque
m 7 128.5 129.5 129.5
4G
Longitud de la
línea de
impulsión
m 8 284.31 693.35 1113.78
4H Pérdidas totales
en impulsión m 15 3.69 8.91 14.27
4I
Longitud de la
tubería de
succión
m - 1.50 1.50 1.50
4J Diámetro de la
tubería succión mm - 110 110.00 110.00
4K Pérdidas totales
en succión m 16 3.24 3.24 3.24
5 Característica de
la bomba
5A Altura dinámica
de bombeo m 17 134.93 141.15 146.51
5B Potencia de la
bomba kW 18 17.42 18.22 18.91
5C Potencia del
motor Hp 19 23.36 24.44 25.37
5D
Consumo diario
de energía
(8 horas de
bombeo)
kW/día 20 139.33 145.76 151.29
Tabla 5.2: Resumen de la memoria de cálculo para un caudal de 10 l/s.
Fuente: Autor
55
MEMORIA DE CÁLCULO DEL SISTEMA DE BOMBEO
PARA UN CAUDAL DE 15 l/s
# Categoría
Nivel 1
Categoría
Nivel 2 Ítem Unidades Ecuación
Tramos
Tramo
1
Tramo
2
Tramo
3
1 Generalidades del
tramo
1A Elevación sobre
el nivel del mar m - 3775 3901 4028
1B Longitud del
tramo m - 282.31 691.35 1111.78
2 Condiciones de
Referencia
2A Presión
atmosférica m c.a. 1 6.45 6.35 6.25
2B Temperatura
media del fluido º C - 15 15 15
2C Presión vapor
de agua m c.a. 2 0.17 0.17 0.17
2D Peso específico
del fluido kg/m
3 - 1000 1000 1000
3 Datos de inicio
3A Cota de inicio m - 3775 3901 4028
3B Cota final m - 3901 4028 4155
3C Altura del
tanque m - 2 2 2
3D Caudal de
diseño l/s - 15 15 15
3E Coeficiente
rugosidad - - 140 140 140
3F Horas de
bombeo h - 8 8 8
4 Configuración de
sistema
4A Factor de
bombeo - 3 0.33 0.33 0.33
4B
Diámetro de la
tubería
impulsión
mm 4 140 140 140
4C Velocidad m/s 5 1.06 1.06 1.06
4D Altura de
impulsión m 6 126 127 127
4E Altura succión m - 0.5 0.5 0.5
4F
Altura
geométrica del
tanque
m 7 128.5 129.5 129.5
4G
Longitud de la
línea de
impulsión
m 8 284.31 693.35 1113.78
4H Pérdidas totales
en impulsión m 15 2.40 5.80 9.30
4I
Longitud de la
tubería de
succión
m - 1.50 1.50 1.50
4J Diámetro de la
tubería succión mm - 140 140.00 140.00
4K Pérdidas totales
en succión m 16 2.78 2.78 2.78
5 Característica de
la bomba
5A Altura dinámica
de bombeo m 17 133.17 137.58 141.07
5B Potencia de la
bomba kW 18 25.79 26.64 27.31
5C Potencia del
motor Hp 19 34.58 35.73 36.64
5D
Consumo diario
de energía
(8 horas de
bombeo)
kW/día 20 206.28 213.10 218.52
Tabla 5.3: Resumen de la memoria de cálculo para un caudal de 15 l/s.
Fuente: Autor
56
MEMORIA DE CÁLCULO DEL SISTEMA DE BOMBEO
PARA UN CAUDAL DE 20 l/s
# Categoría
Nivel 1
Categoría
Nivel 2 Ítem Unidades Ecuación
Tramos
Tramo
1
Tramo
2
Tramo
3
1 Generalidades del
tramo
1A
Elevación
sobre el nivel
del mar
m - 3775 3901 4028
1B Longitud del
tramo m - 282.31 691.35 1111.78
2 Condiciones de
Referencia
2A Presión
atmosférica m c.a. 1 6.45 6.35 6.25
2B
Temperatura
media del
fluido
º C - 15 15 15
2C Presión vapor
de agua m c.a. 2 0.17 0.17 0.17
2D Peso específico
del fluido kg/m
3 - 1000 1000 1000
3 Datos de inicio
3A Cota de inicio m - 3775 3901 4028
3B Cota final m - 3901 4028 4155
3C Altura del
tanque m - 2 2 2
3D Caudal de
diseño l/s - 20 20 20
3E Coeficiente
rugosidad - - 140 140 140
3F Horas de
bombeo h - 8 8 8
4 Configuración de
sistema
4A Factor de
bombeo - 3 0.33 0.33 0.33
4B
Diámetro de la
tubería
impulsión
mm 4 140 140 140
4C Velocidad m/s 5 1.41 1.41 1.41
4D Altura de
impulsión m 6 126 127 127
4E Altura succión m - 0.5 0.5 0.5
4F
Altura
geométrica del
tanque
m 7 128.5 129.5 129.5
4G
Longitud de la
línea de
impulsión
m 8 284.31 693.35 1113.78
4H Pérdidas totales
en impulsión m 15 4.15 9.98 15.97
4I
Longitud de la
tubería de
succión
m - 1.50 1.50 1.50
4J Diámetro de la
tubería succión mm - 140 140.00 140.00
4K Pérdidas totales
en succión m 16 4.93 4.93 4.93
5 Característica de
la bomba
5A
Altura
dinámica de
bombeo
m 17 137.09 143.92 149.91
5B Potencia de la
bomba kW 18 35.39 37.15 38.70
5C Potencia del
motor Hp 19 47.47 49.83 51.91
5D
Consumo
diario de
energía
(8 horas de
bombeo)
kW/día 20 283.12 297.22 309.59
Tabla 5.4: Resumen de la memoria de cálculo para un caudal de 20 l/s.
Fuente: Autor
57
Determinación de la demanda energética del sistema de bombeo
Con el fin de obtener el consumo real de energía del sistema de bombeo, se
procede a la selección de la bomba, para lo cual se ha utilizado el software libre de
GRUNDFOS, que, por medio de su catálogo, permite dimensionar y obtener el punto
máximo de rendimiento de la bomba mediante la curva del fabricante. Con ello se
conseguido el dimensionamiento para los caudales de diseño de 5 l/s ,10 l/s, 15 l/s y 20
l/s, en base a las condiciones de referencia descritos en las tablas 5.1, 5.2, 5.3 y 5.4.
En la figura 5.3, se presenta la curva característica de la bomba que impulsa el
caudal de 5. l/s, para el caudal de diseño la bomba presenta una eficiencia del 71 %.
Adicionalmente de la información de la curva potencia del motor versus caudal, indica
que la energía necesaria es de 9.91 kW (13.28 Hp). Para ver detalles de las
especificaciones de la bomba en el Anexo 7.
Figura 5.3: Curva característica para bombeo de 5 l/s.
Fuente: GRUNDFOS
58
En la figura 5.4, se indica la curva característica de la bomba que impulsa el caudal
de 10. l/s, presentando una eficiencia del 75.2 % con una curva potencia del motor versus
caudal, puntualizando que la energía necesaria es de 19.58 kW (26.26 Hp). Para ver
detalles de las especificaciones de la bomba en el Anexo 7.
La figura 5.5 muestra la curva característica de la bomba que impulsa el caudal de
15. l/s. Su análisis presenta una eficiencia del 75.9 % con una curva potencia del motor
versus caudal, en donde se evidencia que la energía necesaria es de 25.59 kW (34.32Hp).
Para ver detalles de las especificaciones de la bomba en el Anexo 7.
Figura 5.4: Curva característica para bombeo de 10 l/s.
Fuente: GRUNDFOS
59
Adicionalmente, la figura 5.6, manifiesta la curva característica de la bomba que
impulsa el caudal de 20 l/s. Su análisis presenta una eficiencia del 79.8 % con una curva
potencia del motor versus caudal, en donde se evidencia que la energía necesaria es de
34.33 kW (46.0 Hp). Para ver detalles de las especificaciones de la bomba en el Anexo 7.
Figura 5.5: Curva característica para bombeo de 15 l/s.
Fuente: GRUNDFOS
Figura 5.3.4: Curva característica para bombeo de 20 l/s.
Fuente: GRUNDFOS
60
La Tabla 5.5, puntualiza los resultados obtenidos de las curvas características en
base a los caudales de diseño, en donde la energía requerida en kW/hora corresponde a la
demanda energética de una estación de bombeo, por lo que adicionalmente se expone el
consumo energético diario, mensual y anual para el sistema de bombeo que comprende a
las 3 estaciones de bombeo con un funcionamiento de 8 horas al día.
RESUMEN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE RENDIMIENTO
Caudal Potencia del
Motor
Eficiencia Energía
requerida
Energía requerida para el
sistema de bombeo
l/s Hp % kW/hora kW/día kW/mes kW/año
5 13.28 71 9.91 237.84 7135.2 85622.4
10 26.26 75.2 19.58 469.92 14097.6 169171.2
15 34.32 75.9 25.59 614.16 18424.8 221097.6
20 46 79.8 34.33 823.92 24717.6 296611.2
Tabla 5.5: Resumen de las Curvas Características de Rendimiento
Fuente: Autor
En el Ecuador la Agencia de Regulación y Control de Electricidad (ARCONEL),
es la entidad encargada de establecer el pliego tarifario para las empresas eléctricas de
distribución En la zona del proyecto la empresa pública encargada de los servicios de
energía eléctrica es la Empresa Eléctrica Riobamba en donde según las tarifas del
ARCONEL para el periodo vigente del 01 de enero del 2019 hasta el 31 diciembre del
2019, para bombeo de agua establece las siguientes tarifas mostradas en la Tabla 5.6
(ARCONEL, 2019). Para ver detalles del pliego tarifario revisar el Anexo 8.
Tabla 5.3.2: Pliego Tarifario para bombeo Empresa Eléctrica Riobamba
Fuente: ARCONEL
PLIEGO TARIFARIO EMPRESA ELÉCTRICA RIOBAMBA
Nivel de
voltaje Demanda Tarifa
Rango de
Consumo
(kW)
USD/
Consumidor-
mes
Bajo Sin demanda Bombeo de agua 0-300 $ 0.29
301-Superior $ 0.58
Bajo Con demanda Bombeo de agua
0-500 $ 1.06
501-1000 $ 4.8
1001-1500 $ 12.28
1501-Superior $ 23.51
61
La Tabla 5.7 presenta el costo mensual y anual para el sistema de bombeo en la
zona del proyecto, en base a los valores de la energía requerida de la Tabla 5.5 y los costos
del pliego tarifario para bombeo de la Tabla 5.6. Por lo consiguiente la tarifa sin demanda
representa al servicio de bombeo de agua subsidiado al contrario de la tarifa con demanda.
Tabla 5.7: Costo energético eléctrico para el sistema de Bombeo
Fuente: Autor
Análisis del sistema de bombeo en base a la energía producida.
Como se expuso en la sección anterior el costo de la energía eléctrica convencional
es elevado, por lo que se justifica el uso de aerogeneradores para el funcionamiento del
sistema de bombeo.
La Tabla 5.8, muestra el resumen de los resultados obtenidos para el diseño del
sistema de bombeo, en donde empleó los caudales de diseño de 5 l/s, 10 l/s, 15 l/s y 20
l/s que equivalen al consumo energético del sistema, y el análisis del potencial eólico
diario que representa a la capacidad energética generada.
Los resultados de la Tabla 5.8 se presenta la relación (Capacidad – Consumo),
obtenido el número de aerogeneradores necesario para satisfacer la demanda energética
para cada caudal (recuadro verde). Del análisis de la tabla se puede manifestar que la
cantidad mínima de aerogeneradores corresponde al caudal de 5 l/s y para caudales
mayores a 10 l/s se necesitan a partir de 4 aerogeneradores.
Con el fin de conocer el excedente de energía, en base a los resultados anteriores,
en la Tabla 5.9 se presentan la relación entre el número de aerogeneradores empleado y
el excedente de energía, en base a la energía producida al día por 1 aerogenerador.
COSTO ENERGÉTICO ELÉCTRICO PARA EL SISTEMA DE BOMBEO
Caudal
Nivel
de
voltaje
Demanda Tarifa
Energía
requerida para el
sistema de
bombeo
Costo
l/s
Bajo Sin
demanda
Bombeo
de agua
USD/Consumidor-
mes kW/mes kW/año
USD/Consumidor-
mes
USD/Consumidor-
año
5 $ 0.58 7135.2 85622.4 $ 4,138.42 $ 49,660.99
10 $ 0.58 14097.6 169171.2 $ 8,176.61 $ 98,119.30
15 $ 0.58 18424.8 221097.6 $ 10,686.38 $ 128,236.61
20 $ 0.58 24717.6 296611.2 $ 14,336.21 $ 172,034.50
5
Bajo Con
demanda
Bombeo
de agua
$ 23.51 7135.2 85622.4 $ 167,748.55 $2,012,982.62
10 $ 23.51 14097.6 169171.2 $ 331,434.58 $3,977,214.91
15 $ 23.51 18424.8 221097.6 $ 433,167.05 $5,198,004.58
20 $ 23.51 24717.6 296611.2 $ 581,110.78 $6,973,329.31
62
ANÁLISIS DEL SISTEMA DE BOMBEO EN BASE A LA ENERGÍA PRODUCIDA
CONSUMO
ENERGÉTICO CAPACIDAD ENERGETICA CAPACIDAD - CONSUMO
Sistema de
bombeo Número de Aerogeneradores Número de Aerogeneradores
Caudal
Consumo
de
energía
1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7
l/s kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día kW/día
5 237.84 145.24 290.48 435.72 580.96 726.2 871.44 1016.68 -92.6 52.64 197.88 343.12 488.36 633.6 778.84
10 469.92 146.24 292.48 438.72 584.96 731.2 877.44 1023.68 -324.68 -179.44 -34.2 111.04 256.28 401.52 546.76
15 614.16 147.24 294.48 441.72 588.96 736.2 883.44 1030.68 -468.92 -323.68 -178.44 -33.2 112.04 257.28 402.52
20 823.92 148.24 296.48 444.72 592.96 741.2 889.44 1037.68 -678.68 -533.44 -388.2 -242.96 -97.72 47.52 192.76
Tabla 5.8: Análisis del sistema de bombeo en base a la energía producida.
Fuente: Autor
63
Capacidad energética con energía eólica y volumen de bombeo del sistema
Caudal
Capacidad energética Volumen diario bombeado
Producida Empleada Excedente
de energía Tiempo Volumen
l/s kW/día kW/día % horas l m3
5 145.24 52.64 36.24% 8 144000 144
10 146.24 111.04 75.93% 8 288000 288
15 147.24 112.04 76.09% 8 432000 432
20 148.24 47.52 32.06% 8 576000 576
Tabla 5.9: Análisis del sistema de bombeo en base a la energía producida.
Fuente: Autor
Según lo expuesto en la Tabla 5.9, se tiene que para los caudales de 5 l/s y 20 l/s
el excedente de energía es menor al 40%, en cambio para los caudales de 10 l/s y 15 l/s
su excedente es mayor al 75%.
Energía firme
El sistema de generación eólica garantiza la operación y confiabilidad del sistema de
bombeo en cualquier instante del día y del año, lo que significa que en última instancia
se asegura la continuidad del servicio y la satisfacción de la demanda eléctrica en todo
momento.
Con la finalidad de prevenir daños que afecten al rendimiento del sistema y
permitir el mantenimiento de los mismo, la energía firme se consigue aumentado en uno
el número de generadores obtenidos mediante la relación (Capacidad – Consumo) de la
Tabla 5.10.
Como se indica en la Gráfica 5.1, en donde se evidencia el esquema del sistema
de bombeo para el caudal de 5 l/s se puede observar las 3 torres de aerogeneradores que
están conectadas mediante un sistema eléctrico hacia los trasformadores de energía, para
posteriormente conducir la energía transformada a las baterías que almacenan y abastecen
de energía a las bombas, localizadas dentro de la caseta de bombeo.
64
Gráfica 5.6.1: Esquema de sistema de bombeo con energía eólica.
Fuente: Autor
Presupuesto.
El presupuesto referencial del sistema, contempla los rubros de obras preliminares,
movimiento de tierras, estructura, mampostería, sistema de bombeo y aerogenerador; en
donde para el rubro del aerogenerador el fabricante incluye el costo de la celosía con el
sistema de conexión eléctrica.
La Tabla 5.10, indica en resumen el costo del presupuesto en base al caudal empleado,
en donde se ha clasificado en 2 partes, siendo la primera el costo de sistema de bombeo
en donde se incluye el costo de las bombas con su una adicional que funciona en caso de
daños o reparaciones; y la segunda únicamente los aerogeneradores. El detalle del del
presupuesto se encuentra en el Anexo 9.
RESUMEN PRESUPUESTO DEL SISTEMA DE BOMBEO EN BASE
AL CAUDAL DE DISEÑO
Caudal de
diseño
Costos
Sistema de
bombeo Aerogeneradores Total
l/s USD USD USD
5 $ 109,391.50 $ 225,000.00 $ 420,531.89
10 $ 155,939.50 $ 375,000.00 $ 640,665.65
15 $ 157,481.50 $ 450,000.00 $ 726,392.69
20 $ 10,598,177.50 $ 525,000.00 $ 12,503,972.21
Tabla 5.10: Resumen del presupuesto del sistema de bombeo.
Fuente: Autor
65
CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
- El análisis de vientos locales para la selección de aerogeneradores correspondió
al valor promedio de las 3 etapas de los estudios meteorológicos, puntualizando
que las dos primeras etapas relacionadas a los resultados de los estudios en las
zonas a barlovento y sotavento fueron efectuadas en campo, y la tercera fue
obtenida mediante el análisis satelital; se muestra que la zona a barlovento
presenta las mejores condiciones de vientos locales.
- El aerogenerador fue seleccionado considerando la velocidad promedio registrada
en las tres etapas de estudios meteorológicos, siendo los valores de 6.3 m/s para
la velocidad del viento, 0.3 m para la rugosidad del viento y el factor de capacidad
IEC; se exhibió un mejor comportamiento para la clase III con un 50%.
- En base a las rosas de viento analizadas, la dirección recomendada para
direccionar los aerogeneradores en la dirección Este, dentro del rango 75º ENE
(Este-Norte-Este) hasta 95º ESE (Este-Sur-Este).
- En base al análisis de la matriz de selección de alternativas, se determinó que la
energía diaria producida posee el 40% de valoración y el costo del equipo un 25%
del total de la matriz, se evidencia que el aerogenerador Enair 200 obtiene la
valoración más alta con un 89%.
- El diseño del sistema de bombeo consta de tres tramos que parten desde la
captación hasta un tanque de distribución, venciendo la altura de 400 m con una
longitud de conducción de 2,09 km, para lo cual la propuesta más económica en
base al caudal de diseño corresponde a 5 l/s.
- La capacidad energética para los caudales de 10 l/s y 15 l/s, presenta un exceso
del superior al 75%, por lo que considerando la energía firme del sistema y sin
afectar la eficiencia de la bomba se puede aumentar 2 l/s al caudal bombeado.
- El análisis comparativo entre el consumo energético por parte del sistema de
bombeo y la capacidad energética producida mediante aerogeneradores, muestra
que la viabilidad económica del proyecto se consigue mediante el bombeo de 5 l/s
y el uso de tres aerogeneradores, aportando al tanque de distribución un volumen
de 144 m3 al día.
66
Recomendaciones
- Debido a que el presente estudio comprende parte del multiproyecto Pull
Quishuar, se recomienda revisar los demás proyectos que complementan al
estudio, que se han referido en la sección de antecedentes.
- Para optimizar el sistema de bombeo y la energía captada por los aerogeneradores
es necesario implementar una estación meteorológica para medir variables como
temperatura, humedad relativa, velocidad y dirección del viento que influyen
directamente en la eficiencia energética de los aerogeneradores para poder obtener
un valor real de la producción mensual de energía.
- Debido a que la línea de impulsión del sistema se diseñó en base a la topografía
local, se recomienda al constructor verificar cambios que se puedan dar en el
terreno.
- Debido a los resultados obtenidos con los softwares de dominio público referidos
en la sección 3.6, se recomienda su uso en estudios técnicos orientados al análisis
de datos.
- Es necesario que las casetas de bombeo funcionen con operarios calificados, de
esta manera, en caso de presentarse problemas durante la vida útil del sistema,
podrán solucionarse de manera técnica.
- Es recomendable realizar mantenimiento por lo menos 2 veces al año, tanto para
el sistema de bombeo como a los aerogeneradores, con el fin de evitar problemas
de funcionamiento que pueden llevar a daños mayores en caso de no ser
intervenidos a tiempo.
- En caso de presentarse condiciones que requieran un bombeo a caudales inferiores
a 5 l/s es recomendable utilizar fuentes alternativas al sistema de bombeo con
energía eólica como se indica en el Anexo 10.
67
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