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ENERGIA EÓLICA

Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles para las actividades humanas. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Su principal inconveniente es la intermitencia del viento.

La energía eólica ha experimentado importantes progresos técnicos y económicos. Se han mejorado significativamente aspectos tales como la gestión y el mantenimiento, la integración de la energía eléctrica en la red, la adaptación del diseño de aerogeneradores a las características de los emplazamientos, la regulación y control, la predicción de producción a corto plazo y la economía de escala con una mejora de los costes de inversión y de producción eléctrica, también se ha iniciado el desarrollo de la energía eólica marina que ya ha demostrado su viabilidad técnica y económica.

Los más utilizados y de mayor potencia. Básicamente se distinguen tres tipos:

MOLINOS DE VIENTO CONVENCIONALES

Son los clásicos molinos usados antiguamente y que en la actualidad se conservan como recuerdo histórico pero sin prestar servicio.

Esquema de un aerogenerador lento

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Sus características principales son: 

Longitud de la palas: entre 5 y 15 m, y su anchura del orden de un 20% de su longitud. El material del que se construían es de madera.

Velocidad de rotación: variable entre 10 y 40 rpm, en función de la longitud de las palas, correspondiendo los valores menores a las palas de mayor longitud.

La orientación de la rueda de palas para situarla perpendicularmente al viento incidente se llevaba a cabo mediante un brazo orientable o bien por medio de una pequeña eólica auxiliar que actuaba en forma de veleta de orientación.

AEROGENERADORES LENTOS

Es un generador con un elevado número de palas. Generalmente su sistema de orientación es mediante un timón-veleta que hace que el plano de la hélice se sitúe siempre perpendicular a la dirección del viento. Ver la siguiente figura:

Sus características fundamentales son:

Número de palas elevado, entre 12 y 24.

Diámetro entre 3 y 10 m, limitado por el elevado peso del rotor.Se adaptan muy bien a vientos de pequeña velocidad. Su arranque se produce a partir de una velocidad del viento entre 2 y 3 m/s.

Aerogenerador rápido

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Potencias pequeñas debido básicamente a dos razones: usan vientos de baja velocidad (entre 3 y 7 m/s) y tienen un diámetro limitado por el peso del rotor debido al elevado número de palas.

Su campo de aplicación fundamentalmente se centra en las instalaciones de extracción y bombeo de agua.

Presentan un valor elevado del coeficiente de par elevado para pequeños valores de velocidad específica.

AEROGENERADORES RÁPIDOS

En este tipo de aerogeneradores el número de palas es pequeño. Su ventaja respecto a las eólicas lentas es que su potencia por unidad de peso es mucho mayor, por lo que al ser más ligeros pueden construirse generadores de un radio mucho mayor, así como situar el buje o punto de giro central del rotor a alturas mucho mayores y por consiguiente aprovechar el efecto de aumento en la velocidad del viento con la altura. En la actualidad se construyen eólicas con diámetros de rotor que alcanzan los 90 m y con una potencia nominal de 3 MW, lo que da una idea del área de barrido del rotor.

Las características principales son:

Reducido número de palas, entre 1 y 4, aunque los más usados son de 3 palas.

Máquinas más ligeras que las eólicas lentas, y por lo tanto pueden construirse de mayor tamaño.

Requieren una velocidad del viento para su arranque mayor que las eólicas lentas (entre 4 y 5 m/s). Poseen un par de arranque menor.

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Alcanzan su potencia nominal para velocidades del viento entre 12 y 15 m/s. A partir de velocidades del orden de 25 a 30 m/s se produce la parada del rotor para evitar daños sobre la máquina.

En los aerogeneradores rápidos, el valor máximo del coeficiente de potencia se sitúa en el entorno de Cp=0,4.

2.-Analizar las condiciones del contexto (geográfico, climático, poblacional, etc.)del estado de Puebla, para determinar cuál de éstos dos sistemas de energía eólica es más eficiente si se quiere ubicar en esta región.

La zona de estudio está caracterizada principalmente por la presencia del extenso Valle de Puebla, al Norte el volcán de La Malinche y al sureste la Sierra del Tentzo. Dichas características conforman un valle abierto de NNE a SSO y de acuerdo a los datos de la rosa de los vientos proporcionada por la Red Estatal de Monitoreo Atmosférico de Puebla, nos indica que el 85% de las corrientes de aire vienen en el sentido NNE. La dirección dominante de los vientos son: NNE, SSW, con una velocidad promedio de 1.6 m/s, siendo la más alta en enero con 2.4 m/s y la más baja con 0.5 m/s en diciembre.

Ésta corriente de vientos se mezcla con la corriente fría de la cima de La Malinche formando corrientes frías en toda la zona metropolitana del Municipio Puebla. De acuerdo a lo anterior, se puede establecer que tanto las emisiones volcánicas como las emisiones de gases que se emiten por las diferentes fuentes localizadas en la parte Norte del Municipio, tienden a bañar el aire de las partes centrales y sur del Municipio.

El Municipio queda bajo la influencia de la corriente húmeda de los vientos Alisios, desde mediados de mayo hasta mediados de octubre, determinando la época de lluvias; de fines de octubre a mediados de mayo dominan los vientos secos y fuertes del Oeste que descienden de las latitudes templadas en el Oeste de los Estados Unidos y/o del Océano Pacífico del Norte.

Al ser determinante el efecto topográfico, se establecen dos sistemas tipo valle‐montaña que son: el que circula entre el Valle de Puebla y el volcán La Malinche, consistente en vientos suroeste‐noroeste desde las primeras horas de la tarde hasta las primeras de la madrugada y de noroeste‐  suroeste, desde las primeras horas de la madrugada hasta el medio día siguiente; y el que se mueve entre los llanos situados al Este de Puebla y la Sierra Nevada, consistente en vientos noroeste‐suroeste por la mañana y Suroeste Noroeste por la tarde y noche.

Ocurren también vientos de menor intensidad en dirección Norte‐Sur en los llanos situados al Norte y Sur del Municipio, Sierra de Amozoc, depresión de Valsequillo

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y Sierra del Tentzo. En el año 2000 se pusieron en marcha los monitoreos con relación al viento, anterior a esto no se contaba con un registro de series completas para el Municipio de Puebla.

Temperatura

La distribución de las isotermas en el Municipio tiene una relación inversa con la altitud, la temperatura disminuye con la altitud a razón de 0.66°C por cada 100 m. La temperatura mínima es de 5 °C en la parte alta del volcán Malinche, en la región sur del Municipio la temperatura media anual alcanza los 18°C.

La marcha anual de la temperatura registra un mínimo en el mes de enero, el mes más frío del año en el Municipio es enero, el valor máximo corresponde al mes de mayo, en el mes de junio la temperatura presenta un ligero descenso, reflejo directo del aumento de la humedad en la región, el aumento de la nubosidad y la lluvia.

De los meses de julio a septiembre la temperatura media mensual se mantiene sin cambio importante. En el mes de octubre la entrada de frentes fríos y los efectos de la masa de aire polar continental son sistemas meteorológicos que determinan un marcado descenso de temperatura en la región.

3. ¿Qué variables estarían involucrados para incrementar la eficiencia de generación de energía eléctrica?

El viento es un proceso muy complejo que, sin embargo, puede ser descrito en términos muy sencillos. El sol calienta la superficie de la Tierra en diferente medida, dependiendo de si la superficie está cubierta de nubes, si está directamente expuesta a la luz solar, o si se trata de la superficie del océano. El aire que está encima de las zonas más cálidas, se calienta, se vuelve menos denso y asciende.

El aire que sube crea una zona de baja. Como se muestra en la figura 1, la producción de energía por una turbina eólica o aerogenerador va en función de la velocidad del viento. La relación entre la velocidad del viento y la energía está definida por la curva de potencia, que es única para cada modelo de turbina y, en algunos casos, única para las características de un sitio específico.

En general, la mayoría de los aerogeneradores empiezan a producir energía a velocidades de unos 4 m/s, logran la potencia nominal a aproximadamente 13 m/s, y se detiene la producción de energía a 25 m/s. La variabilidad en los recursos eólicos hace que el aerogenerador en funcionamiento esté continuamente cambiando los niveles de potencia.

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La velocidad de arranque es la mínima velocidad del viento a la que las palas rotarán y generarán potencia utilizable; típicamente, está entre 3 y 4 m/s.

La velocidad nominal es la mínima velocidad del viento a la que la turbina eólica generará su potencia nominal de diseño. Un aerogenerador de 10 kW, por ejemplo, no generará 10 kW hasta que la velocidad del viento no alcance lo velocidad del viento de potencia nominal. A velocidades del viento entre la velocidad de arranque y las velocidades nominales, la potencia de salida es proporcional al cubo de la velocidad del viento. A velocidades del viento muy altas, típicamente de 25 m/s, la mayoría de los aerogeneradores cesan la producción de energía y se apagan. La velocidad del viento a la

que esto ocurre se llama velocidad de corte. Se impone una velocidad de corte por seguridad con el fin de proteger de daños a la turbina eólica. El corte se produce de varias maneras. En algunas máquinas se activa un freno automático mediante un sensor de velocidad del viento. En otras máquinas se cambia el ángulo de las palas respecto al viento, con el fin de anular el empuje rotatorio. Otras usan “spoilers”: se montan unos alerones de resistencia al aire en las palas que son automáticamente activados cuando la velocidad de rotación es demasiado elevada. El funcionamiento normal del aerogenerador por lo general se reanuda cuando el viento desciende a niveles seguros.

Tecnología de la energía eólica

El rotor del aerogenerador es una de las partes más visibles del sistema de energía eólica. La mayoría de las turbinas eólicas que se fabrican hoy en día son

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máquinas de eje horizontal, con rotor a barlovento con dos o tres palas. El principal tipo de rotor tiene un eje que es paralelo al suelo, y por lo tanto, horizontal al viento (figura 2). Para sistemas de energía eólica pequeños se puede usar también una turbina eólica vertical. Los aerogeneradores verticales tienen un eje perpendicular al flujo del viento (figura 3). Los pequeños sistemas de energía eólica generalmente consisten en un rotor, un generador montado en una estructura, una caja de cambio, una góndola, una cola de orientación u otro sistema de orientación y algunos sistemas de protección y control.

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Componentes principales de un aerogenerador

Rotor

El rotor consiste en palas con formas especiales, superficies aerodinámicas. Los rotores están hechos normalmente de compuestos de fibra de vidrio, plástico reforzado o madera. La cantidad de energía que una turbina eólica producirá está determinada sobre todo por el diámetro de este rotor. El diámetro del rotor define su “área de barrido”, o la cantidad de viento interceptado por la turbina eólica. Las palas son giratorias para conseguir un cierto ángulo de ataque con respecto al viento, para así controlar la velocidad de giro del rotor e impedir que éste gire con vientos que son o demasiado altos o demasiado bajos para producir electricidad.

Generador

El generador convierte el movimiento de rotación de las palas de la turbina eólica en electricidad. El generador puede producir corriente alterna (AC) o corriente continua (DC), y existe en un amplio rango de potencias disponibles. La categoría o magnitud del generador depende de la longitud de las palas del la turbina eólica: cuanto más largas sean las palas, más energía se genera.

Caja de cambios

Muchas turbinas (particularmente aquellas por encima de los 10 kW) usan una caja multiplicadora de velocidad de giro para adaptar la velocidad del rotor a una velocidad adecuada para el generador.

Góndola

La góndola es el recinto que protege la caja multiplicadora, el generador y otros componentes de los elementos. La góndola se puede retirar para operaciones de mantenimiento.

Sistema de orientación

El sistema de orientación alinea la turbina eólica con el viento. La mayoría de las pequeñas unidades usan una simple cola que dirige el rotor hacia el viento. Existen ciertos mecanismos especiales para desorientar la turbina en caso de vientos peligrosamente elevados.

Torre

La torre sostiene la turbina y es, por lo tanto, una parte integrante del sistema de energía eólica. Las torres deben ser capaces de resistir rayos, vientos extremos, granizo, y formación de hielo. Como el viento se vuelve menos turbulento e

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incrementa su velocidad con la altura respecto al suelo, y la producción de potencia se incrementa sustancialmente con la velocidad del viento, incrementar la altura de la torre de 10 a 50 metros puede duplicar la energía del viento disponible. Hay dos tipos básicos de torres: auto soportadas y mantenidas mediante cables. La mayoría de las torres de sistemas de energía eólica para sistemas domésticos son mantenidas mediante cables. Estas torres son las menos caras, pueden ser construidas con partes de celosía, tubería o tubo y los cables de soporte. Las torres afianzadas con cables son también más fáciles de instalar que las auto soportadas. Sin embargo, en el caso de torre mantenida con cables, se requiere más espacio para su instalación. Existen también las torres inclinables, que aunque son más caras, ofrecen mayor facilidad para llevar a cabo el mantenimiento en turbinas pequeñas y ligeras (de menos de 5 kW).

Sistemas de protección y control

Los sistemas de control abarcan desde interruptores, fusibles y reguladores de la carga de baterías hasta sistemas computarizados de control de sistemas de orientación. La sofisticación de los sistemas de control y protección varía dependiendo de la aplicación de la turbina eólica y del sistema de energía que soporta.

4. Si nuestra meta es generar una potencia de 1kW ¿qué modelo es el que se tiene que usar para diseñar el sistema de energía eólico que involucre esta potencia? (Esta pregunta esta contestada junto a la 5)

5. ¿Qué dependencia tiene la geometría del sistema de energía eólico en la potencia eléctrica de 1kW?

 El Sistema de Generación Eólica SGE-1KW es un sistema de generación eléctrica basado en la generación eólica como fuente única y principal, y acumulación de energía en un banco de baterías. Para luego ser transformada y entrega en su salida una tensión de alterna de 220 volt estabilizada cuasisenoidal apta para el consumo básico de una vivienda familiar tipo.

Tiene una base modular la cual le permite aumentar la autonomía de su banco de baterías con tan solo incorporar la cantidad necesaria de baterías según el requerimiento a cubrir (requiere un dimensionado técnico, consultar). También así desde el punto de vista de l a producción de energía pudiendo insertar en el sistema un segundo generador eólico con su respectivo controlador aumentando la capacidad total y mejorando las condiciones generales de la instalación tanto en energía como aseguramiento de la misma.

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La utilización de este sistema está orientada a la electrificación rural aislada de una vivienda familiar tipo (máximo 4 ocupantes) en la cual poder cubrir necesidades básicas de iluminación y utilización de artefactos eléctricos cotidianos con buena cobertura y autonomía. La producción de energía eléctrica se basa únicamente en la generación eólica directamente relacionada con la intensidad y velocidad del viento predominante en la zona geográfica en donde se lo instale, con lo cual la cantidad de energía eléctrica disponible por el sistema puede variar de una zona de otra.

Para saber si el sistema podrá cumplir con los requisitos mínimos de diseño recomendamos solicitar un análisis mínimo de producción del SGE-1KW en relación a donde se prevea instalarlo.

FUNCIONAMIENTO

El principio de funcionamiento básicamente esta dado por la generación eólica de electricidad mediante el aerogenerador de potencia nominal de 1000 watts.Ell mismo se encuentra montado en una torre de 18 ó 36 metros de altura. Del mismo baja una tensión alterna trifásica de 48 volts. Esta llega a un rectificador/ regulador/cargador que entrega una tensión acorde para la carga del banco de baterías (compuesto por una cantidad determinada de baterías de uso solar -eólico).

Dicho banco está calculado en función de los días de autonomía req ueridos al sistema para situaciones de baja o nula producción de electricidad y la necesidad de cubrir el consumo diario predeterminado. Sobre se encuentra conectado un inversor de corriente continua a corriente alterna entregando en su salida una tensión de 220 volts estabilizada cuasisenoidal apta para la conexión de la instalación eléctrica de la casa.

COMPONENTES DEL SISTEMA

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El SGE-1KW está compuesto por los siguientes componentes:

1 Torre reticulada de 12 á 36 metros según se requiera

1 Generador eólico 1000 watt de potencia nominal

1 Tablero de comando y control con fusibles/térmicas

1 Regulador y rectificador

1 Inversor/Cargador de corriente de 48vcc/220vca de 2.5KW

4 baterías de 12volt/220amp -hora de uso fotovoltáico, con electrolítico líquido.

CARACTERISTICAS DEL SISTEMA

Las características técnica s del SGE-1KW son:

Tensión de salida: 220 volt (corriente alterna)

Autonomía del SGE-1KW: 3-4 días*

Disponibilidad anual del sistema: 82 %*

Día(s) de instalación: 1 ò 2 días por un sistema completo

Garantía del sistema: 1 año (Garantía del fabricante de Industrial Nacional )

* Valores promedios en función de la ubicación geográfica de la instalación y la disponibilidad eólica de la zona (velocidad e

intensidad del viento)

DIMENSIONES

A continuación se describen mediante planos las dimensiones de los componentes que se instalan dentro de una vivienda (tablero de control y banco de baterías) para un SGE-1KW. Se requiere para el lugar de locación de estos componentes un a temperatura y humedad controlada para aumentar la vida útil y garantizar el buen funcionamiento de las partes del sistema.

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VISTAS DE GENERADOR EOLICO

6. Ustedes creen que sería más conveniente diseñar un arreglo para alcanzar esta meta o es suficiente con un solo sistema de energía eólico.

Me parece que con toda la información recabada, tomando en cuenta que el estado de puebla es un buen sitio para implementar este tipo de energía alternativa, así como lo que se propone en los demás puntos (la parte del aerogenerador y la parte de la estructura mecánica) no es necesario hacer un arreglo a este sistema ya que estará en un rango de trabajo aceptable y sin contratiempos.

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BIBLIOGRAFIA

Ingeniería de la Energía Eólica, Villarubia López MiguelEditorial Marcombo S.A. http://www.pueblacapital.gob.mx/work/sites/pue/resources/LocalContent/3593/1/condiciones_meteorologicas.pdf

REFLEXION

La organización del equipo fue muy buena, en si el trabajo en equipo se elabora de manera sencilla, ya que cada uno de nosotros nos administramos nuestro tiempo para poder realizar nuestras tareas, a la hora de repartirnos el trabajo nos pusimos de acuerdo y todos estuvimos de acuerdo con lo que nos tocó. Cada integrante del equipo ya tenía su labor que hacer, así por lo tanto cuando nuestro jefe de equipo se encargara de juntar todo lo que cada uno de nosotros hicimos lo haría de manera sencilla y ordenada, pues el tenia el control de cómo iba organizada nuestro trabajo. Gracias a la organización que tuvimos pues cada uno de los integrantes del equipo pudo realizar su tarea sin que interfiriera en sus clases.