UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Análisis de Generación de Energía de un Mini-Parque Eólico
Investigación Previa a la Obtención del Título de Ingeniero Eléctrico.
Manuel Alejandro Bajaña Quintana
[email protected]
Director: Ing. Javier Cabrera
Cuenca - Diciembre del 2013
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DECLARACIÓN
Yo, Manuel Alejandro Bajaña Quintana declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Universidad Católica de Cuenca puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y la normatividad institucional vigente.
Manuel Alejandro Bajaña Quintana
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CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Manuel Alejandro Bajaña Quintana bajo mi supervisión.
Javier Cabrera Mejía DIRECTOR
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AGRADECIMIENTOS
Quiero empezar agradeciendo a la Universidad Católica de Cuenca, noble institución, la cual me abrió las puertas para así, cumplir una meta más de mi vida que es ser un profesional, a ese excelentísimo grupo de maestros, los cuales a lo largo de estos años de estudios supieron transmitirnos con entusiasmo y dedicación sus conocimientos y experiencias profesional. A mis compañeros de aula, ya que con el apoyo mutuo, logramos sortear los diferentes obstáculos que conlleva la carrera universitaria. A mis familiares, en especial mis padres y mis hermanos de los cuales me siento infinitamente agradecido, ya que con su apoyo y consejos estuvieron pendientes día a día en el proceso de formación de mi carrera profesional.
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DEDICATORIA
Este trabajo de monografía está dedicado primeramente a Dios, por haberme dado salud, fuerzas e inteligencia y así poder cumplir con este objetivo. A mis padres Elías Bajaña y Grecia Quintana quienes son el pilar fundamental en el desarrollo de mi vida, inculcándome valores y buenas costumbres lo cual me permite ser un hombre de bien. A mis hermanos Elías, Doris y Laura por ese apoyo incondicional que me dan, por estar en los buenos y malos momentos del transcurso de mi vida.
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INDICE DE CONTENIDOS DECLARACIÓN ................................................................................................................................................... I CERTIFICACIÓN ................................................................................................................................................ II AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................................................ III DEDICATORIA ................................................................................................................................................. IV INDICE DE CONTENIDOS................................................................................................................................... V LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................................................... VIII LISTA DE TABLAS ............................................................................................................................................. XI LISTA DE ANEXOS ........................................................................................................................................... XII RESUMEN ..................................................................................................................................................... XIII ABSTRACT ..................................................................................................................................................... XIV
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CAPITULO I................................................................................................................................................... - 1 1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... - 1 1.1 ORIGEN DE LA ENERGÍA EÓLICA ..................................................................................................................... - 2 1.1.1 FUENTES RENOVABLES ............................................................................................................................... - 3 1.1.1.1 Energía producida por el viento ................................................................................................................................. - 3 1.1.1.2 Energía producida por la luz y calor del sol ................................................................................................................ - 6 1.1.1.3 Energía producida por mareas y saltos de agua ....................................................................................................... - 10 1.1.1.4Energía producida por Biomasa ................................................................................................................................ - 10 -
1.1.2 FUENTES NO RENOVABLES ....................................................................................................................... - 11 1.2.2.1 Combustibles fósiles................................................................................................................................................. - 11 1.2.2.2 Energía Nuclear ........................................................................................................................................................ - 11 -
1.2 QUÉ ES LA ENERGÍA EÓLICA ......................................................................................................................... - 12 1.3 ENERGÍA EÓLICA EN EL ECUADOR ................................................................................................................ - 13 1.3.1 PARQUE EÓLICO SAN CRISTOBAL ............................................................................................................. - 13 1.3.2 PARQUE EÓLICO BALTRA-SANTA CRUZ .................................................................................................... - 15 1.3.3 PROYECTO EÓLICO VILLONACO ................................................................................................................ - 16 1.4 GENERALIDADES DEL VIENTO ...................................................................................................................... - 17 1.4.1 LEY DE BETZ .............................................................................................................................................. - 21 1.4.1.1 Demostracion de la ley de Betz ................................................................................................................................ - 22 -
CAPTULO II..................................................................................................................................................- 25 2. GENERACION DE LA ENERGÍA EÓLICA .....................................................................................................- 25 2.1 DENSIDAD DE LA POTENCIA ......................................................................................................................... - 25 2.2 PARTES DE UN AEROGENERADOR ................................................................................................................ - 25 2.2.1 CIMENTACIÓN .......................................................................................................................................... - 26 2.2.2 TORRE ....................................................................................................................................................... - 27 2.2.3 GÓNDOLA ................................................................................................................................................. - 31 2.2.3.1 Partes Localizadas en la Góndola ............................................................................................................................. - 32 -
2.2.4 HÉLICES ..................................................................................................................................................... - 38 2.2.5 GENERADOR ............................................................................................................................................. - 38 2.2.5.1 Generadores asíncrono ............................................................................................................................................ - 39 2.2.5.2 Generadores síncronos ............................................................................................................................................ - 40 -
2.2.6 TRANSFORMADOR.................................................................................................................................... - 41 CAPITULO III................................................................................................................................................- 43 3. COMPONENTES DEL SISTEMA .................................................................................................................- 43 3.1 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO ................................................................................................................. - 43 3.2 INVERSORES ................................................................................................................................................. - 46 3.2.1 INVERSORES DE CONMUTACIÓN EXTERNA .............................................................................................. - 47 3.2.2 INVERSORES DE AUTOCONMUTACIÓN .................................................................................................... - 47 3.3 RECTIFICADORES Y CARGADORES DE BATERIAS........................................................................................... - 48 -
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 3.3.1 RECTIFICADOR .......................................................................................................................................... - 48 3.3.1.1 Rectificador de media onda ..................................................................................................................................... - 48 3.3.1.2 Rectificador de Onda Completa ............................................................................................................................... - 49 3.3.1.3 Rectificador Trifásico de Media Onda ...................................................................................................................... - 51 3.3.1.4 Rectificador Trifásico de Onda Completa ................................................................................................................. - 52 -
3.3.2 CARGADORES DE BATERIAS ...................................................................................................................... - 53 3.4 APLICACIONES DE LOS AEROGENERADORES DE BAJA POTENCIA ................................................................ - 53 CAPITULO IV ...............................................................................................................................................- 62 4. COSTOS Y PERSPECTIVAS DE LA GENERACIÓN EÓLICA ............................................................................- 62 4.1 ANALISÍS SOBRE LA INVERSIÓN .................................................................................................................... - 62 4.2 COSTO DE LA ENERGÍA ................................................................................................................................. - 63 4.3 TENDENCIA DE LA ENERGÍA ......................................................................................................................... - 64 4.3.1 TIPOS DE AEROGENERADORES ................................................................................................................. - 67 4.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA GENERACIÓN EÓLICA .............................................................................. - 70 4.4.1 VENTAJAS ................................................................................................................................................. - 70 4.4.2 DESVENTAJAS ........................................................................................................................................... - 70 4.5 CONCLUSIONES Y RECONMENDACIONES .................................................................................................... - 71 4.5.1 CONCLUSIONES ........................................................................................................................................ - 71 4.5.2 RECOMENDACIONES ................................................................................................................................ - 72 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................................- 73 ANEXOS ......................................................................................................................................................- 77 -
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LISTA DE FIGURAS Fig.1. 1 Aplicación de la Energía Eólica ................................................................................................................................ - 2 Fig.1. 2 Molino de Viento Utilizado en Moliendas ................................................................................................................ - 4 Fig.1. 3 Molino de Viento Utilizado Para Bombear Agua. .................................................................................................... - 5 Fig.1. 4 Parque Eólico “Villonaco” (Loja-Ecuador) .............................................................................................................. - 6 Fig.1. 5 Energía Solar Térmica Pasiva ................................................................................................................................... - 7 Fig.1. 6 Generación de Energía Solar Térmica Activa ........................................................................................................... - 8 Fig.1. 7 Generación de Energía Fotovoltaica ......................................................................................................................... - 9 Fig.1. 8 Central Hidroeléctrica Paute ................................................................................................................................... - 10 Fig.1. 9 Central Nuclear Francesa ........................................................................................................................................ - 12 Fig.1. 10 Parque Eólico San Cristóbal ................................................................................................................................. - 14 Fig.1. 11 Parque Eólico Balta-Santa Cruz ............................................................................................................................ - 15 Fig.1. 12 Transporte de Aerogeneradores ............................................................................................................................ - 16 Fig.1. 13 Montaje de Aspas.................................................................................................................................................. - 17 Fig.1. 14 Comportamiento del Viento Día-Noche ............................................................................................................... - 19 Fig.1. 15 Brisa de Valle-Montaña ........................................................................................................................................ - 19 Fig.1. 16 Paso del Viento, Ley de Betz ................................................................................................................................ - 22 Fig.2. 1 Partes de un Aerogenerador .................................................................................................................................... - 25 Fig.2. 2 Cimentación tipo circular ........................................................................................................................................ - 26 Fig.2. 3 Parque Eólico con Torres Reticuladas .................................................................................................................... - 27 -
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Fig.2. 4 Torre Eólica con Riendas ........................................................................................................................................ - 28 Fig.2. 5 Torres Tubulares de Acero ...................................................................................................................................... - 29 Fig.2. 6 Torres de Hormigón Prefabricados ......................................................................................................................... - 29 Fig.2. 7 Torre Híbrida de Hormigón y Acero ....................................................................................................................... - 30 Fig.2. 8 Torre Caída en Río Negro (Argentina) ................................................................................................................... - 31 Fig.2. 9 Góndola o Sala de Máquina .................................................................................................................................... - 31 Fig.2. 10 Partes Internas de una Góndola ............................................................................................................................. - 32 Fig.2. 11 Caja Multiplicadora Tipo Tren Planetario A ......................................................................................................... - 33 Fig.2. 12 Proceso de Activación de Freno Aerodinámico .................................................................................................... - 34 Fig.2. 13 Motor y Corona de Orientación ............................................................................................................................ - 34 Fig.2. 14 Anemómetro de Rotación ..................................................................................................................................... - 35 Fig.2. 15 Veleta .................................................................................................................................................................... - 36 Fig.2. 16 Representación de un Sistema de Control de un Aerogenerador........................................................................... - 37 Fig.2. 17 Rotor Devanado .................................................................................................................................................... - 39 Fig.2. 18 Generador Doblemente Alimentado...................................................................................................................... - 40 Fig.2. 19 Transformador ...................................................................................................................................................... - 41 Fig.2. 20 Formas de un Transformador ................................................................................................................................ - 42 Fig.3. 1 Bombeo de agua, por medio de energía eólica ........................................................................................................ - 44 Fig.3. 2 Acumulación Térmica ............................................................................................................................................. - 45 Fig.3. 3 Batería de Almacenamiento .................................................................................................................................... - 46 Fig.3. 4 1Rectificador de Media Onda ................................................................................................................................. - 48 -
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Fig.3. 5 Rectificador Onda Completa con Toma Central ..................................................................................................... - 49 Fig.3. 6 Funcionamiento de un Rectificador de Onda Completa ......................................................................................... - 50 Fig.3. 7 Forma de onda Completa ........................................................................................................................................ - 51 Fig.3. 8 Rectificador Trifásico de Media Onda .................................................................................................................... - 51 Fig.3. 9 Rectificador Trifásico de Onda Completa .............................................................................................................. - 52 Fig.3. 10 Casas de Campo ................................................................................................................................................... - 55 Fig.3. 11 Aerogenerador Zonhan 750W ............................................................................................................................... - 56 Fig.3. 12 Cable Encauchetado 3x8 ....................................................................................................................................... - 58 Fig.3. 13 Batería de Ciclo Profundo. .................................................................................................................................... - 58 Fig.3. 14 Diagrama de Instalación. ...................................................................................................................................... - 59 Fig.3. 15 Estudio del lugar de Implantación......................................................................................................................... - 60 Fig.3. 16 Diseño de Instalación de Aerogeneradores .......................................................................................................... - 61 Fig.4. 1 Evolución de los molinos de viento ........................................................................................................................ - 65 Fig.4. 2 Instalación Parque Eólico bahía de Bohai (China) .................................................................................................. - 66 Fig.4. 3 Energía Eólica instalada en el mundo ..................................................................................................................... - 67 Fig.4. 4 Aerogeneradores por el número de palas ................................................................................................................ - 68 Fig.4. 5 Barlovento-Sotavento ............................................................................................................................................. - 68 Fig.4. 6 Aerogeneradores de eje vertical .............................................................................................................................. - 69 Fig.4. 7 Aerogeneradores de eje Horizontal ......................................................................................................................... - 69 -
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LISTA DE TABLAS TABLA I: ENERGÍA DEL SOL ....................................................................................................................... - 1 TABLA II: VALORES MEDIOS ................................................................................................................... - 18 TABLA III: RECURSO EÓLICO EN EL ECUADOR .................................................................................. - 21 TABLA IV: CONSUMO DE ENERGÍA ........................................................................................................ - 54 TABLA V: AEROGENERADOR ZONHAN ................................................................................................. - 57 TABLA VI: INVERSOR EXMORK PRINCIPALES CARACTERISTICAS ............................................... - 59 TABLA VII: COSTO ECONÓMICO ............................................................................................................. - 62 TABLA VIII: COSTO A FUTURO................................................................................................................ - 63 TABLA IX: PRECIOS PREFERENTES ENERGÍAS RENOVABLES EN (USD/KWh) ............................. - 64 TABLA X: EXPECTATIVAS MEER 2015 ................................................................................................... - 66 -
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LISTA DE ANEXOS ANEXO A: MANUAL DE AEROGENERADOR ............................................................................................................. - 78 ANEXO B: FICHA TÉCNICA DE PARARRAYOS ......................................................................................................... - 81 ANEXO C: FICHA TÉCNICA DE CABLE CONDUCTOR ............................................................................................. - 83 ANEXO D: DATOS TÉCNICO DE BATERÍA ................................................................................................................. - 85 ANEXO E: INVERSOR MANUAL DE USUARIO .......................................................................................................... - 86 -
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RESUMEN El siguiente trabajo de monografía tiene como intención dar a conocer a la población en especial a las personas que habitan en el campo o tienen casas de campo, una forma de generar energía eléctrica completamente amigable con el medio ambiente. Tratar de difundir el concepto de energías renovables y con esto tratar de disminuir la gran contaminación del medio ambiente que se está generando en estos tiempos. En el desarrollo del proyecto se describe además las diferentes formas de aprovechamiento de la energía del viento, su evolución, las fuentes de energías renovables en el Ecuador, su importancia para el desarrollo de la vida, además se detalla los diferentes tipos de aerogeneradores que se pueden implementar en un parque eólico, sus diferentes componentes, todo estos detalles con sus respectivas bibliografía. Se trató de cotizar elementos y materiales de buena calidad, para que la inversión del proyecto sea a largo plazo y a un costo accesible para las personas que quieran implementar este diseño. Se realizó un estudio de las ventajas y desventajas de la generación de energía renovable por medio de una mini central eólica, llegando a varias conclusiones y recomendaciones. Palabras Claves: Energía, Aerogeneradores, Combustible, Deficiencia, Barlovento
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ABSTRACT The following working paper is intended to inform the population, especially those who live in the area or have cottages, a way to generate electricity completely friendly to the environment. Trying to spread the concept of renewable energy and thereby try to reduce the high pollution being generated these days. In developing the project also describes the different forms of exploitation of wind energy , evolution , sources of renewable energy in Ecuador , its importance for the development of life , they also detailed the different types of wind turbines to be can be implemented in a wind farm , its various components , all these details with their respective literature. They tried to quote elements and quality materials, so that the investment project will be long term and at an affordable cost to people who want to implement this design. A study of the advantages and disadvantages of renewable energy generation by means of a central mini wind, reaching a number of conclusions and recommendations are made . Keywords: Energy, Wind Turbines, Fuel, Deficiency, Barlovento
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JUSTIFICACIÓ Y PROPUESTA JUSTIFICACIÓN La demanda de energía eléctrica aumenta cada día más el mundo, y particularmente en el Ecuador, esto se debe al desarrollo tecnológico, crecimiento de la población, acrecentamiento de la industria etc. El Ecuador posee fuentes de combustibles fósiles como el carbón o petróleo y recursos hídricos para la creación de centrales de generación hidráulica, estas formas de generación de energía eléctrica tienen un impacto sobre el medioambiente y poblaciones cercanas, además dichas fuentes pueden terminarse o su explotación podría llevar en si a la exterminación de reservas naturales, y por ende deterioro mayor del medio ambiente. Al realizar este tema de monografía no solo me enriquece el conocimiento personal, sino que también pretendo contribuir en la educación e información en busca de un cambio en el pensamiento de la sociedad acerca de un tema fundamental como lo es el medio ambiente y la generación de energía eléctrica por medio de fuentes renovables.
PROPUESTA Promover la generación de energía limpia, esto nos llevaría a solucionar varios de los problemas energéticos y ambientales que existen actualmente en el mundo. En muchos sectores del País, pocas personas conocen el concepto de energía limpia o alternativa, lo que sin duda retrasa el proceso de cambio hacia el uso de este tipo de energía. Informar acerca de este tema es fundamental para dar solución al problema de contaminación del medio ambiente y racionamientos eléctricos.
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Realizar un estudio de la generación eólica para generar 600KW, para casas de campo.
OBJETIVO ESPECIFICO
Adquirir conocimientos sobre la generación de energía eólica.
Analizar la situación actual de la energía eólica en el Ecuador.
Realizar una investigación sobre los elementos utilizados en la construcción de los aerogeneradores.
Analizar las ventajas y desventajas de la generación de la energía eólica.
Realizar un documento informativo sobre el tema investigado.
ALCANCE Y LIMITACIONES ALCANCE El alcance que se desea obtener con la realización de esta monografía es el de dar a conocer a la sociedad sobre la generación de energía eléctrica por medio de aerogeneradores para una casa de campo con consumo de energía promedio (600KW), ya que esta es una energía limpia y para su generación se utiliza recurso renovable como lo es el viento.
LIMITACIONES El desarrollo de esta monografía será realizada solo de forma teórica, quedando así las bases necesarias para que en cualquier casa de campo donde existan condiciones favorables pueda ser aplicada.
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CAPITULO I 1. INTRODUCCIÓN La generación de energía eléctrica se fundamenta en la transformación de cualquier tipo de energía (ya sea esta, mecánica, química, etc.) en energía eléctrica. Se define como energía toda causa capaz de producir un trabajo, y su manifestación es precisamente la realización de su virtualidad, es decir la producción de un trabajo, o bien su transformación en otra forma de energía. (Sardón, 2003) Llamamos fuente de energía a un sistema natural cuyo contenido energético es susceptible de ser transformado en energía útil. (García-Mauricio). La principal fuente de energía del planeta es el sol, el cual está compuesto en un 90% de hidrógeno, un 7 % de helio, y 3% del resto elementos químicos. La energía se genera en el sol en un proceso nuclear de fusión por el que el hidrogeno solar se transforma en helio. El 0,73% de la materia se transforma en energía, esta energía se manifiesta en forma de rayos gamma. (Rodríguez, 2000, pág. 33). El sol es el origen de casi todas las fuentes de generación de energía eléctrica, ya sea por su implicación de manera directa o indirecta. TABLA I
ENERGÍA DEL SOL
- Efecto Fotovoltaico - Concentradores Solares - Colectores Termo solares Residen. - Secadores Solares - Construcción Solar Pasiva - Desinfección de Agua - Desalinización de Agua - Fotosíntesis - Biocombustibles - Biogás - Compost y fertilizantes.
Electricidad
Calor
Aplicación de la Energía Solar Biomasa
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 1.1 ORIGEN DE LA ENERGÍA EÓLICA "Eólica" viene de Eolo, Dios griego del viento. El ser humano ha utilizado esta energía de diversas maneras a lo largo de su historia: barcos a vela, molinos, extracción de agua de pozos subterráneos, etc. En la actualidad, el viento tiene muchas aplicaciones entre ellas está la de producir electricidad. Al soplar el viento mueve las aspas de un molino. Esta energía cinética se transforma mediante un generador en energía eléctrica. La reaparición de la energía eólica como una fuente importante de energía renovable según la historia se dio en el siglo XX, las máquinas de vapor y el posterior desarrollo de las otras tecnologías que hoy en día sirven para convertir los combustibles fósiles en energía mecánica y eléctrica, pareció relegar para siempre a la energía eólica. El renacimiento de las energías renovables en particular de la energía eólica se dio como consecuencia de las guerras de Oriente Medio, y como una forma de paliar las crisis energéticas en el mundo. Una de las causas que también ayudo al crecimiento de las energías renovables fue el acuerdo de Kyoto, Firmado el 10 de diciembre de 1997 en la ciudad Japonesa de Kyoto, se trata de un compromiso formal de los países participantes en la tercera conferencia de las partes de la convención sobre cambio climático, el cual exige que los países industrializados reduzcan sus emisiones de gases con efecto invernadero.
Fig.1. 1 Aplicación de la Energía Eólica1
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http://www.articulosweb.net/noticias/las-bombas-de-agua-eolicas -2-
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Es una de las energías renovables más usadas, y las que más énfasis le ponen hoy en día tanto científicos como ambientalistas, para la implantación parques eólicos se estudian lugares que generalmente son alejados de las ciudades, como pueden ser valles, montañas o llanuras donde las corrientes del viento es mayor. Para la producción de energía eólica actualmente se dispone de tecnología madura por lo que su explotación es técnica y económicamente viable. (Villarubia, 2004, pág. 11; Lopez, 2012) La generación de energía y en especial la eléctrica ha tenido su evolución con el tiempo, debido a los grandes avances tecnológicos y a la industrialización de grandes países. La generación de energía eléctrica se la puede realizar mediante dos tipos de fuentes: renovables y no renovables.
1.1.1 FUENTES RENOVABLES Se denomina energía renovable aquella que a diferencia de la tradicional se obtiene de fuentes naturales cuyo potencial es prácticamente inagotable. “En sentido estricto, es renovable cualquier proceso que no altere el equilibrio térmico del planeta, que no genere residuos irrecuperables, y que su velocidad no sea superior a la velocidad de regeneración de la fuente energética y de la materia prima utilizada en el mismo. (Rodríguez, 2000, pág. 22) Este tipo de energía aprovechan producto energético que se generan en diferentes zonas del mundo, como el viento, luz y calor del sol, mareas y saltos de agua, calor de la tierra, producción agrícola (biocarburantes), bosques y cultivos varios a los que se les denomina biomasa, etc. (Viloria, 2012, pág. 6)
1.1.1.1 Energía producida por el viento Se denomina energía eólica a la producida por efectos del viento, este tipo de energía fue una de las primeras utilizadas por el hombre para el desarrollo de sus actividades. Dentro de sus aplicaciones podemos citar a los molinos de vientos, cuyas aplicaciones pueden ser: Moliendas: Se aplicaban para el descascarillado de granos, como para extraer liquido de diferentes frutas naturales como por ejemplo, la caña de azúcar o las uvas del cual se extrae el vino, antiguamente tenían tres aspas sujetas a un eje principal, este eje estaba conectado directamente a una piedra grande y pesada la cual se situaba en el fondo del molino. La particularidad de este molino es que el eje se encuentra de manera vertical.
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Fig.1. 2 Molino de Viento Utilizado en Moliendas2
Aserraderos: El aprovechamiento de la energía del viento en esta actividad es muy similar a la antigua forma de bombear agua, es decir utiliza el mismo principio de biela-manivela, con la diferencia de que el brazo que sube y baja no es un pistón, este brazo tiene la forma de un serrucho, el cual se utiliza para cortar madera para la construcción.
Producción de papel: El molino de viento se utilizó para fabricar papel a partir de la aparición de la imprenta. Producía papel más blanco y de mejor calidad en menos tiempo. Esto se logró por medio de un pequeño ajuste al mecanismo que se utilizaba para extraer aceites. (Guerrero, 2013) Bombeo de agua: Esta aplicación es útil principalmente en el campo donde no existen suministros de aguas cercanos al hombre, desde mucho tiempo ha servido tanto para el desarrollo de la vida diaria del hombre como para la producción agrícola y la cría de animales. Antiguamente consistía en que las aspas estaban conectadas a un rotor y este accionaba un sistema de biela- manivela el cual le daba un efecto de vaivén al embolo de la bomba. Actualmente también existen molinos para bombear agua de manera eléctrica,consiste en una bomba que trabaja electricamente, la cual se conecta a un generador eolico, es decir que el molino genera la energía necesaria para poder hacer que la bomba funcione. Este tipo de molino puede entregar aproximadamente un caudal de 1500 a 1800 litros de agua por hora.
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http://vidaverde.about.com/od/Tecnologia-y-arquitectura/tp/Como-Funciona-Un-Molino-De-Viento.htm -4-
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Fig.1. 3 Molino de Viento Utilizado Para Bombear Agua3.
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Generación de electricidad: La mayor parte de aplicación de los molinos de vientos se encuentran en la generación de energía eléctrica. A este tipo de molino se lo denomina “Aerogenerador”, ya que es un generador eléctrico cuya turbina es accionada por la fuerza del viento. La energía cinética provocada por el viento es transformada en energía eléctrica, esto se produce por el movimiento de las aspas del aerogenerador las cuales están conectadas a un sistema mecánico de engranajes y estos a su vez conectados a un rotor, el movimiento rotacional del rotor es transformado en energía eléctrica por el generador.
http://www.energiamadre.com/energias-renovables-energia-eolica.php -5-
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Fig.1. 4 Parque Eólico “Villonaco” (Loja-Ecuador) 4
Este tipo de aplicación está en auge con respecto a las otras formas de generar energía eléctrica en todo el mundo, y es un gran paso que está dando la humanidad, ya que con esto ayudamos a la conservación del medio ambiente, evitando así grandes efectos negativos al planeta tales como: el cambio climático, La desforestación, el peligro nuclear y los desequilibrios geopolíticos y económicos causados por la centralización de la obtención de combustibles en determinados países.
1.1.1.2 Energía producida por la luz y calor del sol Es la energía procedente de la radiación electromagnética del sol. “La Radiación electromagnética es una forma de propagación de la energía que no requiere medio material; puede propagarse en el vacío” (Rodríguez, 2000, pág. 33) “La Radiación Ultravioleta es apantallada en un alto porcentaje por la capa de ozono. Si esto no ocurriera, se causarían daños al incidir sobre los tejidos de los seres vivos” (Rodríguez, 2000, pág. 34) La energía del sol puede ser aprovechada de las siguientes maneras:
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http://www.energia.gob.ec/wp-content/uploads/2012/10/villonaco3.png -6-
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Energía Solar Térmica: O también conocida como energía termosolar, es la forma de aprovechar la radiación del sol para producir calor que pueda servir para diferentes actividades. Este tipo de energía se la puede acoplar de dos maneras: de forma directa o pasiva que es por medio de captadores o colectores térmicos, o de forma activa que sirve para la generación de energía eléctrica.
Energía solar térmica pasiva o directa: Se puede producir este tipo de energía sin la necesidad de medios mecánicos, dentro de sus aplicaciones tenemos climatización de aguas para piscina, calefacción, secado etc.
Fig.1. 5 Energía Solar Térmica Pasiva5
Energía Solar Térmica Activa o de Alta concentración: o también llamado receptor central, consiste en un conjunto de heliostatos, cilindros o discos parabólicos que reflejan la luz del sol en un único punto determinado, a partir de esto se puede obtener electricidad, implementado una seria de tecnologías que posibilitan convertir el calor obtenido de la radiación solar en energía eléctrica. La energía solar térmica es una de las fuentes de las tecnologías energéticas más respetuosas con el medio ambiente.
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http://www.afuser.org/energias-renovables/que-es-la-energia-solar-termica-termosolar/ -7-
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Fig.1. 6 Generación de Energía Solar Térmica Activa6
La energía térmica es básicamente la energía que posee una sustancia como consecuencia del movimiento de los átomos y moléculas que lo componen. (cientifico.com, 2013).
Energía Solar Fotovoltaica: Este tipo de energía se basa en el principio del efecto fotoeléctrico el cual nos dice que es el proceso en el cual se liberan electrones de un material por efecto de la radiación. Existen dos características esenciales en el efecto fotoeléctrico:
Para cada sustancia hay una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por más intensa que sea la radiación. (Cuántica, 2010).
La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones. (Cuántica, 2010). Para llevar a cabo la generación solar fotovoltaica se utilizan dispositivos denominados células solares, los cuales están formados por material semiconductor. El material semiconductor más utilizado es el silicio. Una pequeña instalación fotovoltaica está formada por las siguientes partes:
6
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//1000/1088/html/31_centrales_fototrmicas.html -8-
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Células Fotovoltaicas: Es el dispositivo donde se produce la conversión fotovoltaica por efecto de la radiación solar.
Módulo fotovoltaico: se denomina módulo al conjunto de células Fotovoltaicas conectadas en serie o paralelo dependiendo de su necesidad.
Regulador de Carga: Es el dispositivo que regula la carga y descarga de las baterías, igualmente sirve como protección en una eventual sobrecarga.
Baterías o Acumuladores: Dispositivo de almacenamiento de la energía generada por las células.
Inversor: Transforma la energía DC en AC.
Fig.1. 7 Generación de Energía Fotovoltaica7
Dentro de sus aplicaciones podemos citar: Instalaciones aisladas a la red eléctrica. Instalaciones conectadas a la red eléctrica.
7
http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=33 (Eléctrica, Afinidad Eléctrica, 2007) -9-
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 1.1.1.3 Energía producida por mareas y saltos de agua La energía producida por la atracción gravitatoria del sol y la luna se denomina mareomotriz. Se denomina energía Hidráulica a aquella que se obtiene de la caída de agua de una cierta altura. Un sistema de captación de agua provoca un desnivel que origina una cierta energía potencial acumulada. El paso del agua por la turbina desarrolla en la misma un movimiento giratorio que acciona el alternador y produce la corriente eléctrica. (García-Mauricio)
Fig.1. 8 Central Hidroeléctrica Paute8
1.1.1.4Energía producida por Biomasa Es la fracción biodegradable de productos o desechos procedente de microorganismos, plantas y animales.
8
http://ingenieria-hidraulica.blogspot.com/2013/01/centrales-hidroelectricas-del-ecuador.html - 10 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 1.1.2 FUENTES NO RENOVABLES Son todas aquellas que se encuentran de forma limitada en el planeta y cuya velocidad de consumo es mayor que la de su regeneración. Las energías no renovables o convencionales se clasifican en dos grupos:
1.2.2.1 Combustibles fósiles Recursos generados en el pasado a través de procesos geobiológicos y como consecuencia limitados. Representan el 75% de las energías de carácter no renovable y son los siguientes: (Arquitexs.com, 2009) El Carbón.- Fue la fuente de energía más común que se utilizó en el principio de la industrialización. El factor de emisión de CO2 es muy alto y las partículas que emite son causantes de la denominada lluvia ácida, que es la mezcla entre la humedad del aire, los óxido de nitrógeno y el dióxido de azufre, estos dos últimos emitidos por centrales eléctricas, fábricas, vehículos que para su funcionamiento queman carbón o derivados del petróleo. El Petróleo.- Es la fuente más utilizada actualmente para generar energía eléctrica, es el producto de la descomposición de microorganismos marinos que se fueron acumulando en la corteza terrestre y de otras fuentes sedimentarias, la formación de este mineral tarda cientos de años y es necesario ciertos acontecimientos para su constitución. Gas Natural.- Ocupa el segundo lugar en consumo después del petróleo, fuente de energía no renovable que se forma por una mezcla de gases que se encuentra muy a menudo en yacimientos de petróleo. Ecuador es un productor relativamente pequeño de gas natural dentro del mercado; actualmente, en las estaciones de producción de Petroecuador se ha puesto verdadero interés en el gas asociado, utilizándolo como: combustible en las turbinas para generación de energía eléctrica. El consumo del gas natural para la producción de energía eléctrica, así como para uso en procesos industriales, se ha incrementado notablemente en los últimos años (Diana Guerrero, 2011)
1.2.2.2 Energía Nuclear La energía nuclear es la energía que se obtiene al manipular la estructura interna de los átomos de un mineral denominado Uranio (mineral radioactivo limitado y escaso), esta condición genera calor con lo que se hierve el agua que se encuentra en los reactores nucleares, el agua hirviendo genera vapor el cual acciona unas turbinas unidas a un generador que produce la electricidad.
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Según el último Informe Anual del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), existen en el mundo unos 437 reactores nucleares activos distribuidos en 30 países. (verdes, 2011).
Fig.1. 9 Central Nuclear Francesa9
Podemos mencionar varios efectos y desventajas de la generación de energía eléctrica por medio de fuentes no renovables, tales como: La lluvia ácida, el efecto invernadero, vertidos contaminantes, residuos radioactivos peligrosos, accidentes y fugas (en producción y transporte).
1.2 QUÉ ES LA ENERGÍA EÓLICA Es la transformación de la energía cinética transportada por el aire en energía eléctrica, esta conversión cosiste en una serie de procesos tecnológicos los cuales implican una fusión entre sistemas mecánicos y eléctricos. Dentro de estos sistemas podemos mencionar, el rotor de la eólica, el cual es accionado por el resultado del roce del viento con las aspas del aerogenerador, esto conlleva a que la energía cinética transportada por el viento se convierte en energía cinética rotacional, también tenemos la caja multiplicadora cuya función es acoplar la velocidad rotacional del eje del rotor, según los requerimientos del generador, luego tenemos el generador eléctrico, para la generación de corriente continua utilizamos los llamados dinamos, y para la generación de corriente alterna utilizamos alternadores él cual puede ser asíncrono o síncrono dependiendo muchas veces de la velocidad del viento (variable o constante), su función es transforma la energía cinética rotacional en energía eléctrica, en algunos casos existen banco de baterías el cual sirve
9
http://www.renovablesverdes.com/existen-437-reactores-nucleares-en-todo-el-mundo/ - 12 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA para almacenar la energía generada para luego ser utilizada cuando se la requiera, el tamaño de las baterías va relacionado con la potencia a generar. El Regulador de carga es el dispositivo que protege las baterías de sobrecargas y a su verifica el estado de las misma. El inversor transforma la corriente continua en corriente alterna. Esta energía eléctrica puede ser inyectada a la red mediante dos métodos: de forma directa o indirecta La conexión directa a red significa que el generador está conectado directamente a la red de corriente alterna, generalmente trifásica. (Lozano, 2012) La conexión indirecta a red significa que la corriente que viene del alternador pasa a través de una serie de dispositivos que ajustan la corriente para igualarla a la de la red. (Lozano, 2012) Esta configuración eléctrica se la realiza tanto con generadores síncronos como asíncronos.
1.3 ENERGÍA EÓLICA EN EL ECUADOR Las fuentes de electricidad del Ecuador, provienen en un 52% de los combustibles fósiles (petróleo, carbón o gas); un 43%, de la hidráulica (agua); el 4%, es energía importada; y solo un 1%, es de tipo renovable alternativa (biocombustibles, eólica o solar), según datos del Ministerio de Electricidad y Energía Renovables. (Informativo, 2011) La organización latinoamericana de energía OLADE, ha reportado positivamente el potencial energético ecuatoriano. Además destaca que el Ecuador promueve la generación de energía limpia ya sea esta hidráulica, eólica, mareomotriz, geotérmica, biomasa. (OLADE)
1.3.1 PARQUE EÓLICO SAN CRISTOBAL El Ecuador inauguró su primer parque eólico, el cual se encuentra ubicado en el cerro El Tropezón ubicado en la isla San Cristóbal del Archipiélago de Galápagos, empezó en operación en el 2007 luego de dos años de construcción. La generación de energía eléctrica se produce mediante un sistema hibrido eólico-diesel.
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Fig.1. 10 Parque Eólico San Cristóbal10
El parque eólico cuenta con tres aerogeneradores made de fabricación española que proporcionan una potencia nominal total de hasta 2,4MW, sus principales características son:
Altura de las torres = 51.5 metros. Diámetro de las turbinas= 59 metros. Velocidad de arranque= 3 m/s. Velocidad de parada= 25 m/s. Generador= Síncrono trifásico.
Se espera que el proyecto llegue a reducir hasta un 52% el consumo de diesel utilizado para la generación de energía eléctrica, adicional a esto se estima que en el primer año de funcionamiento del parque eólico llegue a reducir aproximadamente 2800 ton de CO2.La provincia de Galápagos demanda una potencia total de 4 megavatios, los principales problemas de la generación son la contaminación que producen los grupos electrógenos y los riesgos que implica el abastecimiento de diésel, que debe ser transportado por barco desde el territorio continental. (Ergal, 2010)
10
http://www.ergal.org/cms.php?c=1293 - 14 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 1.3.2 PARQUE EÓLICO BALTRA-SANTA CRUZ Este proyecto se denomina Baltra-Santa Cruz, ya que el parque eólico será construido en la Isla Baltra y se interconectará con la Isla Santa Cruz para abastecer de energía limpia a ambas Islas. El proyecto se encuentra en ejecución el cual abastecerá de 2.25MW de energía limpia a las islas Baltra y Santa Cruz, el mismo que tiene como objetivos principales, reducir la dependencia del consumo de diesel para la generación de energía eléctrica en Santa Cruz y Baltra, reducir los riesgos de los graves impactos ambientales ocasionados por derrames que se podrían producir en el trasporte y manipulación de combustibles para estas islas, Satisfacer la demanda de electricidad en las islas mediante fuentes alternas de energía, Construir un sistema de interconexión eléctrica entre las islas de Baltra y Santa Cruz y ubicar a Baltra como un polo de desarrollo energético, Reducir la generación de emisiones de CO2 por la quema de combustible. (Ergal, Ergal, 2010)
Fig.1. 11 Parque Eólico Balta-Santa Cruz11
El proyecto consiste en la instalación de un parque eólico con una potencia de 2,25MW en su primera fase, 8MW en su segunda fase y 12MW en su tercera fase y de la construcción de un sistema de interconexión eléctrica desde el
11
http://www.ergal.org/boletin.php?c=1483 (Ergal., 2012) - 15 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA parque eólico en Baltra hasta la subestación de la empresa eléctrica Provincial Galápagos en Puerto Ayora-Santa Cruz. El proyecto aportará en su primera fase una cantidad de energía de al menos 4650 MWh/año, representando una reducción de 450000 galones diesel/año.
1.3.3 PROYECTO EÓLICO VILLONACO El proyecto Eólico Villonaco se localiza al filo de la cumbre del cerro Villonaco, en las inmediaciones de la ciudad de Loja específicamente entre los cantones Loja y Catamayo, a una altura de 2720msnm, esto lo hace el proyecto más alto en el mundo, se puso en marcha su construcción en el año 2007. Cuenta con 11 aerogeneradores con una potencia total nominal de 16,5MW. Estos aerogeneradores fueron transportados en Buque desde China y desembarcado en el muelle tres, Puerto Bolívar.
Fig.1. 12 Transporte de Aerogeneradores12
Las turbinas eólicas que se instalaron tienen una altura de entre 65 y 80 metros y las palas de los aerogeneradores (fibra de vidrio) oscilan entre 60 a 63 metros de diámetro. (Reve, 2011) .La velocidad media del recurso eólico esta entre 10.5 a 11m/s lo que permite la instalación de 11 turbinas de tipo GW70/1500 con una capacidad individual de 1.5 MW con lo cual se espera cubrir con el 25% de la demanda anual de energía en la provincia de Loja.
12
http://www.diariopinion.com/local/verArticulo.php?id=818519 (Opinión, 2012) - 16 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Las proyecciones indican que el proyecto permitirá evitar la emisión de aproximadamente 38 mil toneladas de CO2, así como la importación de diésel, combustible necesario para la generación termoeléctrica.
Fig.1. 13 Montaje de Aspas13
1.4 GENERALIDADES DEL VIENTO Para la implantación de un parque eólico se debe considerar la proporcionalidad de su fuente, es decir un estudio del viento, características como son:
13
Distribución de velocidades medias anuales. Variación del viento con la altura Distribución de frecuencias de la velocidad y dirección del viento. Perfil vertical o densidad. Influencia topográfica.
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=34MO8BaJvVQ - 17 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Lo ideal para un estudio del flujo de aire sería tener estadísticas de 25 a 30 años sobre el comportamiento del viento, pero actualmente el estudio se lo realiza de 5 a 10 años, siendo este un tiempo significativo. Para un estudio del viento debemos considerar los siguientes datos:
Valores promedios de 10 minutos del comportamiento de la velocidad y dirección instantáneas, se obtendrían 52.560 valores en un año. Se elaboraría un promedio en una hora de los 6 valores anteriormente mencionado, en un año se obtendrían 8.760 datos. Se obtendría valores promedio cada 3 horas (trihorarios), lo cual nos llevaría a un resultado anual de 2.920 datos de velocidad y dirección. TABLA II
VALORES MEDIOS
VALORES MEDIOS CANTIDAD Diarios
365
Decenales
36
Mensuales Anuales
12 1
La fuerza deflectiva que incide en el viento se denomina fuerza de Coriolis, esta fuerza se produce por efecto de la rotación de la tierra, la cual altera la dirección del viento, la situación geográfica define varias características del viento en una determinada zona, estas características también se las conoce como efectos Brisa marina, calentamiento de la tierra y el mar. Este efecto se da debido a que en el día, la tierra por efecto de la radiación solar su temperatura aumenta más rápido que la temperatura del mar, esto ocasiona que el aire que se encuentra sobre la tierra empiece a ascender y por este motivo se generan corrientes de aire desde el mar hacia la tierra, proceso que se revierte en las noches debido a que la temperatura del aire sobre el mar es más cálido que el aire sobre la tierra.
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Fig.1. 14 Comportamiento del Viento Día-Noche14
Efecto ladera Corrientes valles-montañas, por efecto de la radiación solar.
Tras el calentamiento en transcurso del día de las laderas (nivel bajo ya que en las partes más altas el aire es más denso, por ende más frio) por efecto de la radiación solar se producen vientos ascendentes, a lo largo del día, mientras que después de la caída de sol el proceso se invierte, generándose corrientes de aire descendente.
Fig.1. 15 Brisa de Valle-Montaña15
14
http://contenidos.educarex.es/sama/2010/csociales_geografia_historia/primeroeso/tema3/viento.html - 19 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Podemos concluir diciendo que el flujo de aire en los valles son vientos anabáticos y los flujos de aire en las montañas son vientos catabáticos. La velocidad del aire varía con la altura y depende directamente de las condiciones del terreno por donde este fluye, esta variación puede expresarse de la siguiente manera. 𝑉2 𝑉1
ℎ
= [ 1]
𝛼
ℎ2
[1.1]
Donde V1 < V2 h1 < h2 α = Representa la variación del terreno.
La mayor cantidad de flujo de aire estrecho y rápido se encuentra a unos 10 km sobre el nivel de la tierra, esta característica del viento se la conoce como jetstreams, el flujo de aire que se encuentra influido por superficie terrestre se denomina capa límite terrestre y se encuentra a 1 km de la superficie terrestre. La energía que puede extraerse por una corriente de aire está dada por la siguiente formula.
Donde
𝐸𝑐 = 1⁄2 𝑚𝑉 2
[1.2]
Ec= Energía Cinética (Joule/s) m= Flujo de aire (Kg/s) V= velocidad del viento (m/s) Para un área de barrido “A” de las palas, el flujo de aire que le atraviese será: 𝑚=𝛿𝐴𝑉 Donde 𝛿= densidad del aire (Kg/m3) A= Área de Captación. (m2) Entonces la potencia meteorológica por unidad de tiempo y con área=1 será
15
http://www.pasionporvolar.com/el-viento-en-la-aviacion-sus-efectos/ - 20 -
[1.3]
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 𝑃𝑚 = 1⁄2 𝛿 𝑉 3
[1.4]
El ecuador posee una gran fuente de generación eólica, en la siguiente tabla se muestra el potencial del viento en el Ecuador. (MEER, 2013) TABLA III
RECURSO EÓLICO EN EL ECUADOR
CONOCIMIENTO DEL RECURSO EÓLICO EN EL ECUADOR GALÁPAGOS San Cristóbal
2,4 MW
Baltra
2;25 MW TERRITORIO CONTINENTAL
Salinas
15 MW
Villonaco
15 MW
Huascachaca
30 MW
Chinchas
10 MW
Membrillo
45 MW
1.4.1 LEY DE BETZ Cuanto mayor sea la energía cinética que un aerogenerador extraiga del viento, mayor será la ralentización que sufrirá el viento que deje el aerogenerador por su parte izquierda. (Martínez, 2008, pág. 39) Si quisiéramos extraer toda la energía cinética del viento que choca perpendicularmente con las palas, la densidad de aire que se obtendría a la salida sería una velocidad nula, el aire no podría abandonar la turbina y por ende no se podría adquirir energía del viento.
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Un aerogenerador ideal ralentizaría el viento hasta 2/3 de su velocidad inicial. Sin embargo el físico alemán Albert Betz demostró en lo que hoy se conoce como la ley de Betz que solo puede convertirse menos de 16/27 o lo que es igual el 59% de la energía cinética en energía mecánica. Es decir que el coeficiente de potencia de un aerogenerador siempre será inferior al 59%. Esto nos lleva a una conclusión de que la densidad de aire pasará por tres etapas: antes de alcanzar el contacto con las palas del aerogenerador, contacto con las palas, y momento subsiguiente después de haber pasado por las palas, se supone que la masa de aire se mantiene constante por ende en la salida el área del aire aumentará a distintas velocidades.
Fig.1. 16 Paso del Viento, Ley de Betz16
1.4.1.1 Demostracion de la ley de Betz Para esta demostración el científico alemán consideró que la velocidad promedio del viento al atravesar el rotor del aerogenerador es el promedio de la velocidad del viento sin perturbar V1 y la velocidad del viento después del paso por el rotor V2. 𝑉1 +𝑉2
𝑉𝑚 = (
2
)
Entonces el flujo de aire que atraviesa el rotor será
16
http://es.scribd.com/doc/18159773/Calculo-de-la-formula-de-BETZ - 22 -
[1.5]
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 𝑚=𝜌A (
𝑉1 +𝑉2 2
)
[1.6]
La potencia extraída del viento, se evalúa mediante la diferencia de energía cinética por unidad de tiempo, entre la entrada y salida. Esto es la mitad del producto de sus masas por la diferencia de velocidades al cuadrado. 1
𝑃𝑒𝑥 = 2 𝑚 (𝑉12 − 𝑉22 )
[1.7]
Sustituimos el valor de la masa 1
𝑃𝑒𝑥 = 𝜌 A 2
(
𝑉1 +𝑉2 2
) (𝑉21 − 𝑉22 )
[1.8]
Realizamos el cálculo y obtenemos lo siguiente
𝑃𝑒𝑥 =
𝜌 4
A (𝑉1 + 𝑉2 ) (𝑉12 − 𝑉22 )
[1.9]
La potencia disponible en el viento a través de la misma área A esta dada por la expresión: 1
𝑃0 = 2 𝜌 A 𝑉13
[1.10]
Entonces la razón entre la potencia extraída y la potencia máxima teóricamente disponible será: 𝑃𝑒𝑥 𝑃0
→→ →→
→→
=
𝑃𝑒𝑥 𝑃0 𝑃𝑒𝑥 𝑃0
𝑃𝑒𝑥 𝑃0
𝜌 A (𝑉1 +𝑉2 ) (𝑉12 −𝑉22 ) 4 1 𝜌 A 𝑉13 2
= =
=
[1.11]
𝜌 A (𝑉1 +𝑉2 ) (𝑉12 −𝑉22 ) 4 1 𝜌 A 𝑉13 2
[1.12]
(𝑉1 +𝑉2 ) (𝑉12 −𝑉22 )
[1.13]
2 𝑉13 𝑉 2 𝑉 𝑉12 (1−( 2) )𝑉1 (1+( 2 )) 𝑉1
𝑉1
2 𝑉13 - 23 -
[1.14]
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→→
𝑃𝑒𝑥 𝑃0
1
𝑉
2
𝑉
= (1 − ( 2) ) (1 + ( 2 )) 2 𝑉 𝑉 1
1
[1.15]
Al maximizar Pex/P0 para V2/V1 se obtiene que la razón de velocidades que maximiza la potencia extraída es aproximadamente V2/V1=1/3. Según lo demostrado en la ley de Betz nos indica que el valor máximo que se puede extraer de una corriente de aire en movimiento desde cualquier medio posible será el 59%.
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CAPTULO II 2. GENERACION DE LA ENERGÍA EÓLICA La generación de la energía eólica es uno de los métodos más limpios mediante el cual se puede producir electricidad.
2.1 DENSIDAD DE LA POTENCIA Se define como la densidad de potencia, a una densidad de aire supuestamente constante por cada metro cuadrado de barrido. Esta densidad es un valor medio de mediciones no menores a un año.
2.2 PARTES DE UN AEROGENERADOR Los principales componentes de un aerogenerador son: 1. Cimentación 2. Transformador. 3. Torre. 4. Góndola. 5. Anemómetro y Veleta. 6. Palas o Hélices.
Fig.2. 1 Partes de un Aerogenerador17
17
http://energiaeolicacts.blogspot.com/2010/10/partes-del-aerogenerador.html (Julian Alzate, 2010) - 25 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2.2.1 CIMENTACIÓN La cimentación es un proceso sumamente importante a cargo de la ingeniería civil, es la unión del suelo con la torre, su función de soportar todas las cargas estáticas y dinámicas del aerogenerador, de esto depende la estabilidad de los equipos electromecánicos que se apoyen a esta, el objetivo es que no existan vibraciones, desgastes, problemas por los esfuerzos, ya que esto influye de manera directa a la vida útil del equipo. El tipo de cimentación puede ser en cruz, poligonal, o circular, además se debe considerar el tipo de terreno, ya que dependiendo del emplazamiento el terreno puede soportar una carga limitada.
Fig.2. 2 Cimentación tipo circular18
Dentro de las ventajas de la cimentación circular tenemos: El efecto de las fuerzas que actúan es el mismo para todas las direcciones de viento. Con cimentaciones en cruz o poligonales, se dan presiones en el terreno que, en las zonas de las esquinas, llevan a grandes cargas sobre el subsuelo. (word, 2013) La forma circular reduce considerablemente el volumen de hormigón y de acero de armadura que se necesita. (word, 2013)
18
http://www.enerpetrol.com/es/villonaco.html (Enerpetrol, 2012) - 26 -
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En los cálculos estáticos se cuenta con hacer uso de la tierra extraída de la excavación para cubrir la cimentación. (word, 2013)
2.2.2 TORRE Es el componente que soporta todo el peso de la góndola y las hélices, este elemento mientras más alto sea nos permite captar la mayor cantidad de viento posible, ya que a mayor altura mayor velocidad de viento. Para grandes parque eólicos normalmente son hechas de acero y huecas en su interior con el objetivo de tener acceso hacia la góndola. El desarrollo de turbinas más potente y por ende palas más grande conlleva a que se construyan torres de mayor tamaño Existen diferentes tipos de torres, los cuales han sido modificados con el pasar del tiempo
Torres Reticuladas: Su material de construcción es el acero, normalmente son utilizadas en pequeños aerogeneradores de baja potencia, cuyo rotor no es de gran tamaño. Una de las razones por lo que fueron quedando atrás este tipo de torres fue por aspecto visual, ya que a mayor cantidad y altura de estas, el efecto visual se incrementa.
Fig.2. 3 Parque Eólico con Torres Reticuladas19
19
http://fontsenergia1.blogspot.com/2010_05_21_archive.html (Nadal, 2010) - 27 -
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Torres con riendas: Este tipo de torres se utilizan para aerogeneradores de baja potencia, las riendas sirven para dar estabilidad y rigidez a torres de gran altura, dentro de las ventajas podemos mencionar que son de fácil montaje, y como desventaja podemos mencionar que se debe mantener despejado el área cercana a la torres, ya que para mantenimiento se procede a inclinar la torre con el fin de tener acceso a la parte superior.
Fig.2. 4 Torre Eólica con Riendas20
20
Torres Tubulares de Acero: Este tipo de torres son las más utilizadas actualmente, se prefabrican en tramos de 20 a 30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos "in situ". Las torres son tronco-cónicas (es decir, con un diámetro creciente hacia la base), con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material. (Navarra, 2000)
http://www.windturbinestar.com/los-tipos-de-torre.html - 28 -
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Fig.2. 5 Torres Tubulares de Acero21
Torres de Hormigón: Este tipo de torres tiene la ventaja que pueden alcanzar una altura superior a 80 metros, dentro de sus ventajas podemos mencionar las siguientes: amortiguación del ruido, gran durabilidad, poco mantenimiento, mayor estabilidad con respecto a las otras torres debido a su peso. (Anabel Apcarian). Como desventaja podemos mencionar el uso del hormigón, ya que su proceso de fabricación no es ecológico, disminución y debilitación de rigidez por los repentinos cambios de temperatura.
Fig.2. 6 Torres de Hormigón Prefabricados22
21
http://intranet2.minem.gob.pe/web/archivos/dge/publicaciones/uso/1/01/02/08/es/tour/wtrb/tower.htm (Navarra, 2000) - 29 -
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Torres Híbridas de Hormigón y Acero: Consiste en un tramo en la parte inferior de hormigón al que se la acopla una estructura metálica, dentro de las ventajas en este tipo de torre podemos mencionar la disminución del uso de hormigón en la cimentación de la torre, siendo además económico y su tiempo de construcción amenora, la base del hormigón prefabricado es más ancha por ende adquiere mayor estabilidad. Una ventaja muy importante es la altura que pueden alcanzar, en algunos casos sobrepasan los 100 metros, esto conlleva se pueden colocar hélices da gran tamaño y por ende se va a generar mayor potencia eólica. Como desventaja podemos mencionar que no es una alternativa ecológica el uso del hormigón, ya que en su proceso de fabricación se generan emisiones de carbono.
Fig.2. 7 Torre Híbrida de Hormigón y Acero23
Podemos acotar que en la actualidad la tendencia de construcción de torres, por motivo de querer obtener una mayor generación de potencia, se inclina hacia las torres híbridas de hormigón y acero, ya que estas nos permiten alcanzar una mayor altura y por ende una mayor captación del recurso eólico. Se debe tener muy en cuenta la seguridad y el conocimiento en la cimentación y armado de cualquier tipo de torre para aerogenerador ya que esto nos ayudaría evitar accidentes y por consecuencia gastos económicos.
22
http://www.cliv2.ing.unlp.edu.ar/public/actas%20congreso/20.Apcarian.CLIV2.pdf (Anabel Apcarian)
23
http://www.evwind.com/2013/02/28/eolica-gestamp-empieza-a-desarrollar-torres-eolicas-hibridas/ - 30 -
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Fig.2. 8 Torre Caída en Río Negro (Argentina)24
2.2.3 GÓNDOLA Es el cubículo o sala de máquinas del aerogenerador, sirve para mantener a los elementos que se encuentran en su interior libre de los efectos de la inclemencia del clima, además aísla el ruido que generan dichos elementos. Este elemento soporta toda la fuerza que genera el movimiento de las hélices por efecto del viento, además debe ser capaz de girar para poder seguir la dirección del recurso eólico.
Fig.2. 9 Góndola o Sala de Máquina25
24
http://www.cliv2.ing.unlp.edu.ar/public/actas%20congreso/20.Apcarian.CLIV2.pdf (Anabel Apcarian) - 31 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2.2.3.1 Partes Localizadas en la Góndola Dentro de la Carcasa o Góndola se alojan elementos tales como: Sistema de Control Motor Orientador Caja Multiplicadora Generador
Fig.2. 10 Partes Internas de una Góndola26
Caja Multiplicadora De Velocidad Este elemento tiene como función elevar la velocidad rotacional del eje secundario (o eje de alta velocidad) con respecto al eje primario, así como de soportar las diferentes variaciones de velocidad del viento.
25
http://blogs.elpais.com/eco-lab/2010/09/lo-que-contamina-un-aerogenerador/comments/page/5/
26
http://www.gdiy.com/projects/producing-energy-from-wind/index.php?lang=es - 32 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA La relación de transmisión del multiplicador está determinada por su tren de engranajes, constituido en los aerogeneradores actuales por ruedas dentadas cilíndricas —de ejes paralelos—, cuyos dientes al engranar vinculan sus frecuencias de rotación. Los diseños actuales se basan en dos tipos de trenes de engranaje básicos: el tren planetario A y el tren tándem (Figueredo)
Fig.2. 11 Caja Multiplicadora Tipo Tren Planetario A27
Podemos mencionar como medida de seguridad el tipo de frenado de los aerogeneradores, normalmente utilizan dos tipos de frenado, sistema de freno aerodinámico y sistema de freno mecánico. El frenado aerodinámico consiste en realizar un movimiento de rotación del extremo de la hélice o toda a su vez (dependiendo de su fabricación), mediante regulación por cambio del ángulo de paso, este movimiento lo realiza por medio de un proceso hidráulico o eléctrico, concatenado a un sistema electrónico que programa y controla el movimiento. La rotación de las palas permite reducir la velocidad de giro del rotor ante una gran intensidad de viento igual o superior a la potencia nominal. El frenado mecánico tiende a ser un freno de apoyo para el freno aerodinámico, y también actúa como freno de estacionamiento cuando el rotor está paralizado (normalmente en labores de mantenimiento), el tipo de freno mecánico más común es el freno de disco el cual puede ir ubicado en el lado de alta velocidad o en su defecto en el lado de baja velocidad. Se debe tener en consideración que si se instala en el lado de baja velocidad el par que debe soportar es alto, en comparación si se instalará en el lado de alta velocidad, ya que el par
27
http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia36/HTML/articulo03.htm - 33 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA en este lado sería menor, con la diferencia que aquí entrarían en el proceso de frenado los mecanismos de la caja multiplicadora, y esto contiene un riesgo de daño hacía esta.
Fig.2. 12 Proceso de Activación de Freno Aerodinámico28
Mecanismo De Orientación En grandes turbinas es necesario este tipo de mecanismo ya que nos ayuda a optimizar la energía del viento, este proceso se lo realiza con motores y reductores fijos a la góndola y que engranan en un dentado de la parte superior de la torre, que se denomina corona de orientación. (Francisco de Paula Barco, 2011)
Fig.2. 13 Motor y Corona de Orientación29
28
http://www.motiva.fi/myllarin_tuulivoima/windpower%20web/es/tour/wtrb/safety.htm
29
http://energiadoblecero.com/wp-content/uploads/2010/03/turbina_eolica.jpg - 34 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Existen dos tipos de sistemas de orientación para aerogeneradores que son los activos y pasivos, la diferencia entre estos radica en que el sistema activo utiliza motores eléctricos, o sistemas hidráulicos mientras que el sistema pasivo, utiliza la fuerza aerodinámica del viento para realizar estos movimientos.
Anemómetro
Este instrumento sirve para medir la velocidad del viento (fuerza del viento). En caso de que la velocidad del viento no sea la adecuada, el Anemómetro es el encargado de retroalimentar al sistema de control sobre esta anormalidad, para así aplicar el freno si este fuera necesario. Existen varios tipos de anemómetros siendo los más utilizados los de presión (utilizado en la industria aeronáutica) y de rotación.
Fig.2. 14 Anemómetro de Rotación30
Veleta
Instrumento por el cual se detecta la dirección del viento, este dispositivo envía la señal al sistema de control para que este ejecute si así fuese el caso sobre los motores de orientación.
30
http://iepse.cti.espol.edu.ec/Modulo/Material/anemometro2.php - 35 -
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Fig.2. 15 Veleta31
Sistema de Control
Para que el funcionamiento de los aerogeneradores sea el más adecuado se les integra un sistema de control, este equipo automatiza el funcionamiento del aerogenerador y hace que el rendimiento sea más óptimo. Dentro de sus funciones se puede mencionar las siguientes:
31
La turbina debe funcionar en sincronismo con el viento (tratar de mantener las palas de forma perpendicular a la dirección del viento), este sincronismo se logra mediante las señales que recibe el sistema de control desde la veleta (dirección del viento).
Otra función muy importante es la de proteger al aerogenerador de sobre velocidades, acción resultante de la señal emitida por medio del anemómetro (velocidad del viento).
Decidir el momento exacto para la conexión y desconexión del generador.
Realizar adecuadamente arranques y parada del aerogenerador.
http://www.ammonit.com/es/productos/sensores/medicion-eolica-solar (Ammonit, 2012) - 36 -
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Efectuar correctamente el proceso de retroalimentación, en caso de que se presente algún evento anormal en el desarrollo del funcionamiento del aerogenerador (Sobrecalentamientos, Vibraciones, etc.).
Fig.2. 16 Representación de un Sistema de Control de un Aerogenerador32
El Rotor
Se conoce como rotor al conjunto de mecanismos que giran fuera de la góndola, es decir las hélices, el buje y el mecanismo de cambio de paso de las palas. Se puede decir que el radio del rotor determina la capacidad del aerogenerador para producir energía.
Mecanismos por regulación de cambio del ángulo de paso.
Este mecanismo tiene dos funciones específicas, cuando el aerogenerador empieza a generar una potencia muy alta, el sistema de control actúa en los mecanismos de cambio del ángulo de paso, este proceso consiste en girar las palas en un ángulo fuera del viento hasta que la potencia que se está generando se encuentre dentro de los rangos permitidos, cuando la potencia se encuentra dentro de los rangos, las palas vuelven a su estado inicial por medio del mecanismo
32
http://www.directindustry.es/prod/ge-measurement-control-bently-nevada/sistemas-de-monitoreo-de-condiciones-demaquina-para-aerogeneradores-12479-1069529.html - 37 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA de regulación. La otra función de este mecanismo es la de freno aerodinámico en caso de emergencia, este proceso consiste en girar las palas en dirección del viento hasta que alcancen la posición de bandera.
2.2.4 HÉLICES Son las encargadas de captar la energía del viento para transportarla hacia la caja multiplicadora por medio del buje. Dentro de las características básicas de las hélices podemos mencionar las siguientes:
Tener una resistencia estructural adecuada a las condiciones de trabajo a las que va a ser sometida. Resistencia a fatiga (en particular a tensiones alternas debidas a vibraciones). Rigidez Bajo Peso Resistencia a agentes medioambientales como, erosión, corrosión. (Energy)
Los materiales más utilizados en los últimos años para la fabricación de palas son los de fibra de vidrio reforzada con resina de poliéster, así como aleaciones de acero y derivados del aluminio.
2.2.5 GENERADOR Es el dispositivo más importante de un aerogenerador ya que se encarga de transformar la energía de rotación del eje en energía eléctrica, la generación eléctrica se puede realizar con los siguientes generadores: a) Generador eléctrico asíncrono o de inducción, con las siguientes características:
Rotor de jaula de ardilla. Rotor devanado con resistencias variable. Rotor devanado doblemente alimentado. (Lopez, 2012)(Cap. 8.2)
b) Generador eléctrico síncrono con las siguientes excitaciones:
Síncrono con excitación con electroimanes. Síncrono con excitación con imanes permanentes. (Lopez, 2012)(Cap. 8.2)
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 2.2.5.1 Generadores asíncronos Generador Asíncrono con rotor Jaula de Ardilla Al hablar de un generador asíncrono, nos estamos refiriendo a un generador que cuya velocidad de giro del rotor, no es la velocidad de sincronismo aplicada por la frecuencia de la red eléctrica. Los generadores con estas características fueron los primeros que se empezaron a utilizar para la generación de energía eólica. El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o aluminio, conectados eléctricamente por anillos de aluminio Este rotor se sitúa en el centro del estator conectado directamente a las tres fases de la red eléctrica. (Lozano, 2012, pág. 59). La velocidad de un generador asíncrono variará con el momento o par torso que se le aplique. La particularidad de este tipo de generador es su costo económico, ya que su precio es bajo con respecto a los otros generadores. Como desventajas del uso de este tipo de generador podemos mencionar que carece de regulación tanto de tensión como de frecuencia por lo que inyecta a la red variaciones de potencia del viento.
Generador Asíncrono con rotor devanado con resistencia variable Este tipo de generador tiene conectado en el rotor cables conectados en estrella y también se encuentran conectados a resistencias variables
Fig.2. 17 Rotor Devanado33
33
http://books.google.com.ec/books?id=z_aduU0x2kAC&pg=PA73&dq=anemometro+e%C3%B3lico&hl=es&sa=X&ei= i4zfUfzIN7jl4AOkwYDIAQ&ved=0CEYQ6AEwBQ#v=onepage&q=generador&f=false (Lozano, 2012, pág. 61) - 39 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Generador Asíncrono con rotor devanado doblemente alimentado La característica principal de este generador es que puede generar tensión de valor eficaz y frecuencia constante, aunque el eje este girando a velocidad variable. Este equipo acopla un convertidor de frecuencia al rotor, para controlar así las corrientes de red, como las del rotor mismo. Esto convertidor deben ser muy eficientes, es decir que deben cumplir varias características tales como funcionar en modo de falla (seguir inyectando si es que una fase sale de línea, o algún módulo del mismo convertidor sale de funcionamiento), otra característica muy importante es el control de la potencia reactiva.
Fig.2. 18 Generador Doblemente Alimentado34
2.2.5.2 Generadores síncronos Al hablar del generador síncrono, nos estamos refiriendo a un generador el cual su campo magnético giratorio, gira a velocidad constante impuesta por la red. Este tipo de generadores son poco utilizados en generación eólica, su mayor aplicación se da en grandes centrales térmicas o nucleares. Los generadores síncronos se pueden clasificar en:
34
Generador Síncrono con excitación con electroimanes
Generador Síncrono con excitación con imanes permanentes.
http://editores-srl.com.ar/sites/default/files/ie276_conicet_generacion_distribuida_5a.png - 40 -
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2.2.6 TRANSFORMADOR
El transformador es un dispositivo eléctrico-estático, el cual aplicando los principios de inducción electromagnética, es capaz de aumentar o reducir la tensión de un sistema de corriente alterna, dependiendo esto de la relación del número de vueltas entre el devanado primario y el número de vueltas del devanado secundario. El transformador en su forma más simple consta de dos devanados enlazados mediante un flujo magnético reciproco.
Fig.2. 19 Transformador35
El transformador está constituido por chapas de aleaciones de hierro-silicio o hierro-níquel normalmente, Los bobinados se disponen entre las columnas del núcleo, existen diferentes formas de núcleo para un transformador, como pueden ser. a) Núcleo sin acorazar. b) Acorazado. c) Anular.
35
http://www.answers.com/topic/transformer - 41 -
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Fig.2. 20 Formas de un Transformador36
Los transformadores pueden dividirse en; Transformadores de potencia y transformadores de medida, un transformador de potencia puede tener las siguientes características: Función: elevador, reductor, separador. Refrigeración: Natural o forzada. Número de fases: Monofásico, trifásico. Ambiente: Intemperie, interior. Refrigerante: con refrigerante, sin refrigerante. Un transformador de medida puede ser: De tensión. De intensidad. El transformador que se instale dentro del aerogenerador debe tener como características principales, su aislamiento en seco e ignífugos, con esto se estaría evitando cualquier tipo incendio dentro del aerogenerador.
36
http://www2.uah.es/vivatacademia/anteriores/n37/docencia.htm - 42 -
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CAPITULO III 3. COMPONENTES DEL SISTEMA Dentro de los componentes del sistema también tenemos:
Sistema de almacenamiento. Inversores. Rectificadores y cargadores de baterías.
3.1 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO Uno de los principales problemas de los sistemas de generación eléctrica por medio de fuentes renovables, es el almacenamiento de la energía generada, la generación de energía por medio de la radiación solar se la puede hacer en el día (solar térmica, solar fotovoltaica), pero en la noche este tipo de central de generación no produce energía, para almacenar este tipo de energía se utilizan comúnmente baterías. Estos elementos nos ayudan a almacenar la energía generada en exceso a la demanda en el día, y a su vez cubrir con la demanda en periodos sin radiación solar (noche, días nublados) las más utilizadas son las de plomos, similar a las utilizadas en automoción, con la diferencia que estas son de ciclo profundo, tienen capaz de plomo más gruesas que las baterías de camiones lo que hace que se prolongue su vida útil. Se debe tener en cuenta la correcta manipulación de este componente ya que el plomo es un componente muy peligroso para la salud. Dentro de las características de la producción eólica podemos mencionar que este tipo de generación no siempre cumple con la demanda de potencia, debido a la discontinuidad de su fuente natural. Cuando se produce un exceso de generación de energía o la demanda disminuye, se generan pérdidas de energía eléctrica producida, ya que esta energía no es utilizada. Existen varios métodos para el almacenamiento de la energía. Para el almacenamiento de energía se debe considerar que este proceso se lo debe realizar cuando la generación de energía es mayor que la demanda (normalmente en las noches). Existen varias formas de almacenar energía, dentro de las cuales podemos mencionar:
Almacenamiento de energía por medio del bombeo de agua Este sistema consiste en bombear hasta crear un reservorio de agua a un nivel elevado (almacenamiento en forma de energía potencial), para que cuando la demanda de energía sea mayor que la generación, se puede suplir este desequilibrio mediante generación desde una estación mini hidráulica implantada en el depósito de agua.
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Fig.3. 1 Bombeo de agua, por medio de energía eólica37
Almacenamiento Mediante Acumulación Térmica Proceso que consiste en activar unos compresores mediante la energía eólica en horas donde la demanda de energía es menor que la nominal. Estos compresores envían aire a depósitos presurizados y aislados térmicamente. Cuando la demanda de energía se mayor o el recurso eólico este por debajo de lo normal, actuará este sistema de acumulación soltando el aire con una eventual combustión previa lo cual ayudara a aumentar la potencia, este aire se expandirá en la turbina moviendo al generador produciendo así la energía eléctrica.
37
http://www.afinidadelectrica.com.ar/articulo.php?IdArticulo=180 (Eléctrica, Afinidad Eléctrica, 2007) - 44 -
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Fig.3. 2 Acumulación Térmica38
Almacenamiento Mediante Baterías Es el sistema más utilizado actualmente, en las pequeñas estaciones de generación eólica, la desventaja en este sistema radica que sirve para almacenar muy poca energía además de ser de poca vida útil. En la actualidad ya existen parques eólicos con batería de gran capacidad, por ejemplo la marca BDY instalo una mega batería la cual puede llegar a almacenar hasta 36 megavatios horas, lo que nos indica que se podría llegar a cubrir unos 12 mil hogares promedio en una hora. Esta batería ha sido instalada en un parque eólico que se encuentra en china en la ciudad de Zhangbei, este parque eólico cuenta con 66 turbinas eólicas y entro en servicio en julio del 2009, para este gran sistema de almacenamiento de energía se ha utilizado tecnología de baterías de hierro-fosfato de BYD, capaz de usarse durante veinte años. (SANZ, 2012). Otro ejemplo que podemos mencionar es el del parque eólico que se encuentra en el estado de Minnesota, Estados Unidos, consiste en una enorme batería de sulfuro de sodio, que puede almacenar 7,2 MWh, lo cual nos dice que puede alimentar 500 viviendas durante 7 horas con una carga completa. (Ecologia.com, 2012).
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http://www.tech4cdm.com/userfiles/Sesion2_eol_mex_almacenamiento.pdf - 45 -
(Eólica, 2009)
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Fig.3. 3 Batería de Almacenamiento39
Almacenamiento en Energía Química Este proceso que consiste en almacenar la energía eléctrica de una forma y entregarla de otra. Se realiza mediante una reacción química, la electricidad producida descompondría el agua, almacenándose el hidrogeno para luego ser utilizado como combustible o para generar corriente continua.
3.2 INVERSORES El inversor es un componente electrónico de potencia cuya función es modificar el voltaje de corriente continua (entrada) a una tensión de corriente alterna (salida). Con magnitud y frecuencia deseada. Este dispositivo tiene muchas aplicaciones, que pueden ser desde un UPS para oficina o casa, o para grandes aplicaciones industriales. Otra aplicación muy importante de los inversores es la que se utiliza en las mini centrales de generación eólica y fotovoltaicas, ya que la tensión que generan estos sistemas es de corriente continua, la forma de onda de los inversores ideales debería de ser sinusoidal, pero esto es casi imposible ya que en la práctica se necesitaría un sinnúmero de componentes electrónicos para tratar de simular un tipo de onda así, en aplicaciones de media y baja potencia con señal de tensión cuadrada o casi cuadrada puede ser aceptable su funcionamiento, pero en aplicaciones de alta potencia se requiere que la señal sea sinusoidal con poca distorsión. (Rashid, 2004, pág. 226)
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http://diarioecologia.com/almacenamiento-de-energia-eolica-con-baterias/ - 46 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Los inversores de acuerdo a su conmutación pueden ser:
3.2.1 INVERSORES DE CONMUTACIÓN EXTERNA Como su nombre lo indica este tipo de inversores necesitan de una energía externa para realizar el apagado de los SCR, el sistema que le provea la energía externamente puede ser un motor, una fuente etc. La forma de proceder de este circuito es en el siguiente orden: SCR1, SCR6, SCR2, SCR4, SCR3, SCR5
3.2.2 INVERSORES DE AUTOCONMUTACIÓN Dentro de las características de este circuito inversor podemos mencionar que pueden generar su propia frecuencia, por medio de la frecuencia de pulsos aplicadas en sus compuertas, otra característica muy importante es la de absorber o proveer de potencia reactiva. Este circuito inversor puede estar compuesto por igbt s, scr, mosfets de potencia. Los inversores de Autoconmutación se pueden dividir en:
Inversores de fuente de voltaje (VSI). La característica de este circuito es que la alimentación en el lado de corriente continua, es una fuente de tensión conmutada, generalmente es el tipo de inversor más utilizado.
Inversores de fuente de corriente (CSI). La característica de este circuito es que la alimentación por el lado de corriente continua, es una fuente de corriente continua, generalmente este tipo de inversores se utilizan para motores de corriente alterna que manejan alta potencia.
Los inversores de fuente de voltajes pueden dividirse en:
Inversores con conmutación por modulación de ancho de pulsos. Como característica principal podemos mencionar que la entrada se alimenta mediante una tensión constante, esta entrada se puede recibir desde la rectificación no controlada de diodos.
Inversores con conmutación de onda cuadrada. La característica de este circuito es su forma de onda cuadrada, controla le frecuencia de tensión de salida pero no su magnitud, por lo tanto la señal de tensión de entrada no puede proceder de la rectificación de diodos no controlada.
Inversores monofásicos con conmutación por anulación de tensiones. Combina las características de los dos anteriores (solo para monofásicos no trifásicos).
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 3.3 RECTIFICADORES Y CARGADORES DE BATERIAS 3.3.1 RECTIFICADOR Un rectificador es un circuito que transforma una señal de corriente alterna en corriente continua, lo que quiere decir que convierte una señal bipolar en monopolar, y esta señal monopolar debe tener un contenido mínimo de armónicas. Existen varios tipos de rectificadores, dentro de los más comunes tenemos:
El rectificador de media onda. El puente rectificador de onda completa. El rectificador trifásico de media onda. El rectificador trifásico de onda completa.
3.3.1.1 Rectificador de media onda La función de este circuito es de conducir solo un semiciclo de la onda senoidal alterna de entrada, este procedimiento se lo realiza con un diodo ya que este es un semiconductor diseñado para conducir corriente en una sola dirección, dependiendo como este polarizado el diodo, se obtendrá un voltaje de corriente continua, positivo o negativo.
Fig.3. 4 1Rectificador de Media Onda40
El factor de rizado de un rectificador de media onda de este tipo es del r=121%, esto quiere decir que en su salida tienes más componentes de corriente alterna que de corriente continua. La eficiencia de un rectificador se define como:
40
http://www.etitudela.com/Electrotecnia/electronica/01d56994c00dc4601/01d56994c00df600b.html - 48 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 𝑛=
𝑃𝑐𝑑 Pca
[3.1]
3.3.1.2 Rectificador de Onda Completa Para generar este tipo de onda podemos considerar dos opciones:
Rectificador de Onda completa utilizando Transformador con derivación central. Rectificador de onda completa o Puente rectificador.
Rectificador de Onda completa Utilizando transformador con derivación central
Este proceso se lo puede realizar si se obtiene un transformador con doble devanado del lado secundario, la división del lado secundario se la conoce como toma central. Este procedimiento comienza cuando el diodo D1 empieza a conducir por efecto del ciclo positivo de la corriente alterna de entrada, esta corriente retorna por a través de la toma central, mientras que el diodo D2 conduce en el semiciclo negativo.
Fig.3. 5 Rectificador Onda Completa con Toma Central41
41
http://www.electricosonline.com/Privado/Electronica/rectificador_onda_completa.htm - 49 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Rectificador de Onda completa con Puente Rectificador. Para este tipo de circuito consideramos cuatro diodos, donde dos de ellos conducen en un semiciclo y dos en el otro semiciclo, el proceso lo realiza de la siguiente manera: Cuando ingresa la señal Vs durante el semiciclo positivo, D1 yD3 están polarizados directamente, mientras que D2 y D4 están polarizados inversamente, estos dos últimos se comportan como un circuito abierto. Cuando ingresa el semiciclo negativo de la señal Vs los diodos D1 y D3 se polarizan inversamente mientras que los diodos D2 y D4 conducen. La corriente que pasa por la carga (en este caso resistencia) siempre va a circular por el mismo sentido, independientemente si está conduciendo con el semiciclo positivo o negativo.
Fig.3. 6 Funcionamiento de un Rectificador de Onda Completa42
La tension que se obtiene en la salida de los rectificadores no es una tensión continua sino realmente una tensión pulsante de polaridad única, por lo tanto no se puede utilizar directamente, para conseguir una tensión continua lo más pura posible es necesario colocar un filtro que elimine los pulsos existentes. (Clara Pérez Fuster, 2003, pág. 107) El factor de rizado para este tipo de rectificador de onda completa es del r= 48,2%. Existen varias formas de realizar este filtrado pero el más común y económico es la colocación de un condensador en paralelo a las salidas del rectificador.
42
http://www.unicrom.com/Tut_rectificador_onda_completa_puente.asp - 50 -
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Fig.3. 7 Forma de onda Completa43
En la fig. 3.7 se puede observar la forma de salida de la onda para ambos casos, tanto como para el circuto con transformador con toma central, como para el circuito con puente de diodos rectificadores.
3.3.1.3 Rectificador Trifásico de Media Onda La constitución de este circuito consiste en conectar un diodo en la salida de cada uno de los devanados del transformador trifásico, el cátodo de los tres diodos se unirán en un punto de común, este punto será la alimentación de la carga, el retorno de la corriente lo realiza mediante una línea neutro.
Fig.3. 8 Rectificador Trifásico de Media Onda44
43
http://www.info-ab.uclm.es/labelec/Solar/Componentes/Diodo_I/aplicacionesdiodorec.htm - 51 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA El efecto de tener los tres diodos conectados a un punto en común es que al diodo que se le aplique el voltaje más elevado conducirá, mientras que los otros diodos estarán polarizados inversamente, si nos fijamos en la forma de onda de salida podemos ver que la onda en cualquier tiempo es precisamente el voltaje mayor de cualquiera de las tres fases en ese tiempo. El factor de rizado para este tipo de rectificador es r=18,3%
3.3.1.4 Rectificador Trifásico de Onda Completa Este tipo de circuito consta de seis diodos conectados de la siguiente manera, tres diodos se encuentran conectados como el circuito rectificador trifásico de media onda, los cuales forman un punto en común con sus cátodos y este punto va conectado a la carga para así ser alimentada por el voltaje más alto de los voltajes trifásicos, los otros tres diodos del circuito forman un punto en común con sus ánodos, este punto se conecta al otro lado de la carga, los ánodos de los tres primeros diodos van conectados a los voltajes de alimentación respectivamente al igual que los cátodos de los tres siguientes diodo, el rectificador trifásico de onda completa siempre conecta el más alto de los tres voltajes a un extremo de la carga durante todo el tiempo y, el más bajo de ellos al otro extremo de la carga. (Chapman, 2000, pág. 171) El factor de rizado para este tipo de rectificador es r=4,2%
Fig.3. 9 Rectificador Trifásico de Onda Completa45
Para mejorar la forma de onda de salida del rectificador se debe eliminar los componentes de frecuencia AC, esto se puede realizar utilizando los siguientes filtros pasabajos:
44
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001771/html/cap03/03_05_01.html
45
http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio//3000/3079/html/432_rectificador_trifsico_de_onda_co mpleta.html - 52 -
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Condensadores Conectados a las líneas. Inductores conectados en serie con las líneas.
Las diferencias que podemos considerar entre un rectificador monofásico y un rectificador trifásico son las siguientes:
La corriente de línea contiene más distorsión armónica en los monofásicos que en los trifásicos. Mejor factor de potencia en los trifásicos. Inferior porcentaje de rizado en los trifásicos (utilizan condensadores de menor capacidad). (José Manuel Benavent, 1999, pág. 79)
Otro tipo de rectificadores son los rectificadores controlados, los cuales utilizan semiconductores de potencia cuya característica principal es el control que se puede ejercer en ellos, el tipo de control que se podemos aplicar puede ser análogo o digital. Dentro de los de mayor utilización podemos mencionar a los tiristores, SCR y los Triac.
3.3.2 CARGADORES DE BATERIAS Las baterías contienes energía química en los materiales activos de su constitución, esta energía química es convertida en energía eléctrica por medio de reacciones electroquímicas de oxidación y reducción. Se denominan baterías primarias las que no se les puede inyectar ningún tipo de recargas eléctrica y, baterías secundarias son aquellas que por su constitución pueden recibir una recarga eléctrica, esto se debe a sus variables reacciones electroquímicas que la constituyen. Una de las aplicaciones de los rectificadores es el de cargadores de baterías, el propósito es convertir la corriente alterna ya sea esta trifásica o monofásica en corriente continua para así poder realizar la carga de baterías, los armónicos que se producen es este circuito depende directamente del estado de la carga de la batería.
3.4 APLICACIONES DE LOS AEROGENERADORES DE BAJA POTENCIA Las aplicaciones que se les puede dar a estos aerogeneradores pueden ser varias tales como: el bombeo de agua, la generación de energía eléctrica, especialmente en lugares de baja densidad poblacional donde la energía eléctrica procedente de las grandes generadoras no llega. Para nuestro estudio hemos considerado casas de campo las cuales no poseen el suministro de energía eléctrica. En la siguiente tabla se consideran artefactos con niveles de potencia bajos, El refrigerador se estima que consume energía solo en 12 horas, ya que este artefacto contiene un termostato el cual funciona como interruptor de temperatura haciendo que consuma energía cada que la temperatura sobre pase los niveles preestablecidos.
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TABLA IV
CONSUMO DE ENERGÍA
CONSUMO DE ENERGÍA PROMEDIO POR CASA Artefacto
Cantidad
Potencia W
Tiempo Encendido/Hora
Consumo W/Día
Refrigerador
1
400
12
4800
TV 14”
1
38
2
76
1
20
3
60
1
20
3
60
Foco Ahorrador (dormitorio1)
1
20
3
60
Foco Ahorrador (dormitorio2)
1
20
3
60
Foco Ahorrador (baño)
1
20
1
20
1
20
2
40
1
20
2
40
Mini Componente
1
30
2
60
Cargador de Celular
2
13
2(2)
52
Reproductor de DVD
1
30
1
30
651
Consumo Wh al día
5358
Lámpara Fluorescente (Sala) Foco ahorrador(Cocina)
Foco (parte frontal) Foco (Parte Posterior)
Consumo en Watt
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA En este ejemplo podemos mencionar que el requerimiento de energía por día es de 5358Wh, lo cual equivale a una potencia de consumo promedio de:
𝑃=
5358𝑤ℎ 24ℎ
= 223.25𝑤
[3.2]
Los habitantes de este sector utilizan pequeños generadores eléctricos, lo cual implica gastos, tanto en la adquisición de este elemento como en la compra de combustible para su funcionamiento, además de estos detalles debemos considerar el excesivo ruido que provocan y la emisión de monóxido de carbono al medio ambiente, lo cual genera contaminación y esto puede conllevar a un peligro ya que si no es bien ventilado puede causar complicaciones en la salud e incluso la muerte.
Fig.3. 10 Casas de Campo46
La finalidad de este estudio es poder dar a conocer esta particular forma de generar energía eléctrica mediante aerogeneradores y así las personas que habitan en estos lugares puedan tener una vida más confortable y que la manera de generar la energía eléctrica sea amigable con el medio ambiente, se propone la generación de energía por medio de una mini central eólica, la cual se puede implementar aprovechando el recurso eólico (viento) ya que en el sitio es muy constante tener corriente de aire, como podemos apreciar en las fotos tomadas en el lugar vemos que el relieve del terreno juega un papel muy importante ya que este, según nuestro estudio nos permite colocar los aerogeneradores en la parte superior de una elevación y así poder aprovechar la velocidad del viento tanto en el día como en la noche.
46
Imagen de casas de campo sin servicio eléctrico.
- 55 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA La distancia donde estarían ubicados los aerogeneradores eólicos con respecto a las casas es aproximadamente 100 metros de longitud con una separación de 10 metros entre los dos postes. La distancia del cuarto donde estarán ubicados los diferentes equipos de la mini central eólica con respecto a los aerogeneradores será de aproximadamente 25 metros aproximadamente. El tipo de aerogenerador que se utilizará para el proyecto será de la marca Zonhan, el cual lo distribuye para el Ecuador la empresa Proviento S.A en la ciudad de Quito, este equipo tiene unas excelentes características, además de su bajo costo económico. (ANEXO A).
Fig.3. 11 Aerogenerador Zonhan 750W47
El aerogenerador Zonhan entre sus características podemos mencionar las siguientes, su eje de posición horizontal, de cara al viento o barlovento, con sistema de orientación por medio de la veleta de cola. El material con el que está constituido el aerogenerador es el siguiente, las aspas son de fibra de vidrio, material resistente y a su vez liviano, la veleta está constituida de acero inoxidable, material que es resistente a la corrosión, el cuerpo del aerogenerador está constituido de aluminio.
47
http://www.proviento.com.ec/ - 56 -
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TABLA V
AEROGENERADOR ZONHAN
CARACTERISTICAS POTENCIA NOMINAL
750W
POTENCIA MAXIMA
900 W
DIAMETRO DE ELICE
2,7 m
VELOCIDAD DE ARRANQUE
4,0 m/s
VELOCIDAD DE POTENCIA NOMINAL
9,0 m/s
VELOCIDAD POTENCIA MAXIMA
12.5 m/s
VOLTAJE DE SALIDA
12 o 24 VDC
PESO
65 KG
El proyecto consta de dos torres de tipo postes de hormigón de 11 metros de altura, Con la instalación de la torre también se instalará un pararrayos el cual nos sirve para proteger al sistema de posibles descargas eléctricas, este dispositivo va a estar instalado en la cima de la torre, la conducción de la descarga a tierra se la realizará mediante cable de cobre de calibre 4 el mismo que va a estar conectado a una barra de cobre de 1,25m. El tipo de pararrayos es de la marca Dipolo Parres, cuya ficha técnica la podemos revisar en el Anexo B. La acometida principal que saldrá desde los aerogenerador será con cable Encauchetado calibre 3x8 (calibre recomendado por el fabricante del aerogenerador) conductor de cobre flexible tipo THHN, se utilizará este tipo de cable ya que una de sus características principales es la gran resistencia a la abrasión por parte de su cubierta, el cable se llevará de forma subterránea por medio de tubería plástica tipo Politubo, hasta el cuarto donde estará ubicado el tablero principal, otras características del conductor lo podemos encontrar en el Anexo C.
- 57 -
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Fig.3. 12Cable Encauchetado 3x848
Para un adecuado almacenamiento y respaldo de energía se seleccionó la siguiente batería la cual será de ciclo profundo de la marca Ultracell, esta batería tiene como capacidad 100 Ah, es decir que puede proveer 10A en 10 horas, con un voltaje de carga de 12V, esto significa teóricamente que la cantidad de energía de la batería será de 12X10X10=1200Wh, más características podemos ver en el ANEXO D.
Fig.3. 13 Batería de Ciclo Profundo.49
48
http://www.centelsa.com.co/archivos/57e1fbb9.pdf
49
http://www.proviento.com.ec/ - 58 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA El tipo de inversor que se utilizará será de la marca Exmork, la siguiente tabla resume las características eléctricas del inversor, existen varias características técnicas las cuales las podemos ver en el ANEXO E TABLA VI
INVERSOR EXMORK PRINCIPALES CARACTERISTICAS
ESPECIFICACIONES ELECTRICAS Potencia de Salida
2KVA
Factor de Potencia
0,9
Frecuencia de Salida
60HZ ± 5%
Eficiencia Optima
85%
Voltaje de Salida del Inversor
120VAC ± 0.5%
Entrada de Tensión Directa
24VDC O 48 VDC
Entrada de Tensión Externa
120 VAC ± 10%
La siguiente imagen es una forma gráfica de cómo quedaría las instalación de cada aerogenerador, en la imagen se puede apreciar el aerogenerador, el controlador, el disipador, banco de baterías y el inversor.
Fig.3. 14 Diagrama de Instalación.50
50
http://www.proviento.com.ec/Aerogeneradores%20ZONHAN.pdf - 59 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Con este proyecto trataremos de ayudar a familias que al tratar de tener electricidad cubren esta deficiencia mediante pequeños generadores eléctricos que en el proceso de funcionamiento generan gran cantidad de ruido, y por el uso de combustible estos artefactos emite monóxido de carbono al ambiente, causando contaminación, al inhalar estos gases se pueden tener complicaciones en la salud, estos gases se elevan a la atmosfera uniéndose a la gran cantidad de contaminación que existe actualmente en el mundo.
Fig.3. 15 Estudio del lugar de Implantación51
En la figura anterior podemos observar la posición de las casas y el relieve del terreno, el cual nos serviría de manera óptima para implantar nuestra mini central eólica, es importar realizar un estudio minucioso de la forma del terreno, saber a qué tipo de actividad está expuesto, ya que de esto también depende nuestra factibilidad.
51
Estudio del lugar de implantación (El Autor).
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA El diseño de instalación de nuestra mini central eólica podemos observar en la siguiente imagen, donde se visualizan los dos postes de hormigón con dos aerogeneradores sobre una elevación, además podemos observar la casa de control, lugar donde se alojarán los diferentes dispositivos que hacen posible que la energía cinética del viento que es transformada en energía eléctrica por medio de los aerogeneradores, sea procesada y acoplada para que esta se óptima para el consumo en las casas.
Fig.3. 16 Diseño de Instalación de Aerogeneradores 52
52
Diseño de Instalación de aerogeneradores en casas de campo sin servicio eléctrico (El Autor).
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CAPITULO IV 4. COSTOS Y PERSPECTIVAS DE LA GENERACIÓN EÓLICA Para determinar el costo de la generación de la energía eólica tenemos que tener en cuenta la inversión que se va a realizar, escoger la mejor opción de los diferentes componentes que existen en el mercado, tratar de que estos componentes sean preferiblemente de fabricación nacional, ya que estos nos generaría disminución de gastos por importación.
4.1 ANALISÍS SOBRE LA INVERSIÓN A continuación detallamos el valor de los diferentes equipos que componen el proyecto de la mini central eólica para casas de campo. TABLA VII
COSTO ECONÓMICO
ÍTEMS DESCRIPCIÓN
VALOR UNITARIO
CANTIDAD
VALOR TOTAL
PROVEEDOR
1100.00
2
2200.00
Proviento S.A
1
Aerogenerador ZH750W
2
Inversor Exmork 2KVA
720
2
1440.00
Proviento S.A
3
Baterías de ciclo profundo 100ah
290
4
1160.00
Proviento S.A
4
Poste 11 mts
200.00
2
400.00
Mercado Local
5
Pararrayos
380.00
2
760.00
6
Mts. Cable Encauchetado 3x8
4.50
80mts
360.00
7
Mts. Cable de cobre # 4
2.36
22
51.92
8
Varilla de cobre 1,25 mts.
4.00
2
8.00
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Electro Instalación. Electro Instalación. Electro Instalación. Electro Instalación.
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9
Politubo 3/4”
0.50
35mts
10
Obra Civil
500
500
11
Varios
200
200
TOTAL COSTO DEL PROYECTO
17.50
Electro Instalación. Mano de obra Local Mano de obra Local
7097.42
4.2 COSTO DE LA ENERGÍA En el lugar donde se van a ubicar los aerogeneradores, no es un espacio donde se cultive algún tipo de producto, por lo tanto no se generaría gastos de territorio no producido, el montaje de los postes de 11 metros se lo realizará con una altura de empotramiento de 1.60mts El costo total del proyecto será de 7097.42 USD, teniendo en cuenta el tipo de material a utilizar y la calidad de los equipos a instalar se tiene previsto una duración de funcionamiento de la mini central eólica de 20 años aproximadamente. El costo por mantenimiento será de 50 USD por año, teniendo en cuenta que este valor puede variar conforme pasa el tiempo, el cambio de elementos en el trascurso del tiempo por su deterioro o por haber cumplido su vida útil como por ejemplo baterías, nos daría como resumen la siguiente tabla, con proyección a los siguientes 20 años. TABLA VIII
COSTO A FUTURO
COSTO TOTAL DEL PROYECTO
7097.42
7097.42
COSTO MANTENIMIENTO
50X(20 años)
1000
COSTO CAMBIO DE BATERIAS
1160X(3 cambios)
3480
VARIOS
500
500 12077.42
TOTAL
Con este valor de 12077.42USD, y ahora teniendo en cuenta el gasto que realizan estas familias en adquirir los pequeños generadores eléctricos, la compra continua de combustible para su funcionamiento, el beneficio para el - 63 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA desarrollo de sus actividades, el costo de KWh en caso de que la energía sea suministrada por la empresa eléctrica, sumado todo esto vemos que el valor de la inversión sería recuperado en aproximadamente 10 años. El consejo Nacional de Electricidad CONELEC el 12 de enero del 2012 aprobó la reforma a la resolución 004/11 de “Tratamiento para la energía producida con Recursos Energéticos Renovables No Convencionales”. En la cual se resuelve los siguientes incluir los definiciones de “Central Solar Termoeléctrica” y “Central de Corrientes Marinas” además se fijaron nuevos precios en el kWh el cual se detalla en la siguiente tabla. RESOLUCION – 017/12 (CONELEC, 2011)
TABLA IX
PRECIOS PREFERENTES ENERGÍAS RENOVABLES EN (USD/KWh)
TERRITORIO CONTINENTAL
TERRITORIO INSULAR DE GALÁPAGOS
EÓLICAS
9.13
10.04
FOTOVOLTAICAS
40.03
44.03
SOLAR TERMOELÉCTRICA
31.02
34.12
CORRIENTES MARINAS
44.77
49.25
BIOMASA Y BIOGÁS< 5 MW
11.05
12.16
BIOMASA y BIOGÁS > 5 MW
9.60
10.56
GEOTÉRMICAS
13.21
14.53
CENTRALES
4.3 TENDENCIA DE LA ENERGÍA La energía eólica se está convirtiendo en una de las fuentes de energía renovables con más proyección e implantación hacia el futuro, ya sea por conciencia ambiental o por necesidad de cubrir demandas de energía. Además debemos mencionar el avance tecnológico el cual no se ha detenido, conforme pasa el tiempo vemos como se están implementando diferentes tipos de aerogeneradores para así poder aprovechar el recurso eólico de acuerdo a como éste se presenta, recordemos que las primeras aplicaciones de estos molinos de vientos eran para moliendas y bombeo de agua.
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Los primeros parques eólicos se los implanto en la tierra, pero conforme ha avanzado el estudio de la potencia del viento y según estadísticas de su comportamiento, podemos acotar que el lugar donde las velocidades del recurso eólico son mayores y constantes es en mar adentro, hoy en día ya se están creando muchos parques eólicos en estos lugares, con nuevas tecnologías como por ejemplo podemos citar a las turbinas flotantes instaladas en Japón, los valores económicas para implantar en el mar parque eólicos con este tipo de aerogeneradores son muy elevados con respecto a la instalación de turbinas en tierra, pero la tendencia de la energía eólica hace pensar que a futuro estos costos disminuyan.
Fig.4. 1 Evolución de los molinos de viento53
En el Ecuador se está fomentando la investigación en la línea de las energías renovables, según el INER (Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables) al momento se ha planteado 11 proyectos de investigación, dentro de los cuales podemos mencionar: Estudio para edificaciones de bajo consumo energético en Yachay. Evaluación de ciclo de vida de la electricidad.
Análisis del comportamiento de un parque eólico en condiciones extremas. Entre otros. (Fermosell, 2013)
El INER es un instituto que se crea con el fin de incentivar la investigación científica y tecnológica para el uso eficiente de los recursos naturales y así contribuir con el plan del buen vivir. Dentro de los ejes fundamentales que definieron la creación de este instituto podemos mencionar los siguientes: Promover la generación y producción del conocimiento Fomentar la investigación científica y tecnológica Promover la innovación y formación científica Promover la eficiencia energética entre otros. (INER)
53
http://www.oni.escuelas.edu.ar/2004/SAN_JUAN/676/eolica_y_molinos/capitulo_3/cap_3_1.htm
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA La expectativa para el año 2015 sobre la generación de energías renovables en el Ecuador según el “MEER” es la siguiente: (TECH4CDM, 2008) TABLA X
EXPECTATIVAS MEER 2015
Islas Galápagos
Cero combustibles fósiles
Energía Eólica
40 a 50 MW
Solar Térmica Solar Fotovoltaica (Gran Escala)
50.000 Sistemas Residenciales 2-3 MW
Geotérmico
Desarrollo mínimo 2 proyectos
Biogás
3-4MW
Los países con mayor índice de generación e implantación de energía eléctrica son China y los Estado Unidos de Norte América.
Fig.4. 2 Instalación Parque Eólico bahía de Bohai (China) 54
54
http://www.vistaalmar.es/ciencia-tecnologia/ingenieria-innovacion/1305-el-mayor-parque-eolico-offshore-delmundo-iniciado-por-china.html - 66 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA La tendencia de la generación de energía eólica a nivel mundial es alentadora, día a día países en todo el mundo realizan trabajos de implantación de grandes parques eólicos tanto en tierra como en el mar, además de la implantación de pequeños aerogeneradores en edificaciones, el crecimiento de este tipo de generación se puede resumir en la siguiente figura.
Fig.4. 3 Energía Eólica instalada en el mundo55
4.3.1 TIPOS DE AEROGENERADORES Conforme pasan los tiempos y con ello el avance tecnológico, los estudios se han enfocado en tratar de aprovechar la mayor potencia posible por parte de los aerogeneradores, para poder lograr esto y de acuerdo a como se presente el recurso eólico existen diferentes tipos de aerogeneradores. Los aerogeneradores se clasifican de acuerdo a tres parámetros: Número de palas. Posición en la que recibe el impacto del viento. Por la posición de su eje. Por el número de palas los aerogeneradores pueden ser de: una pala, dos palas, tres palas o multipalas. Como consideraciones podemos decir que los aerogeneradores de una pala presentan un contrapeso y no son muy comunes ya que por su constitución genera desequilibrio, permiten gran velocidad de rotación. Los aerogeneradores de dos palas aumenta el peso y precio con respecto al anterior, además los aerogeneradores de una y dos palas tienen un mayor
55
http://www.terra.org/categorias/articulos/la-crisis-desacelera-la-energia-eolica-en-todo-el-mundo-menos-en-china - 67 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA impacto sonoro y visual. Los aerogeneradores de tres palas son más eficientes ya que por su constitución no complican el funcionamiento del sistema, además generan menos ruido, menos vibración en su estructura y son los más usados para generar energía eléctrica. Los aerogeneradores multipalas
Fig.4. 4 Aerogeneradores por el número de palas56
Por la posición en la que recibe el impacto del viento los aerogeneradores pueden ser: Barlovento o Sotavento, en el caso de los de tipo Barlovento, el viento incide primero en el rotor y luego en la torre, son los aerogeneradores comúnmente utilizados y es necesario en ellos implementar dispositivos de orientación, en el caso de Sotavento el viento incide primeramente por el lado de la góndola, no necesitan mecanismos de orientación ya que el viento lo posiciona de forma idónea.
Fig.4. 5 Barlovento-Sotavento57
Los aerogeneradores de acuerdo a la posición de su eje pueden ser: De eje vertical De eje horizontal En los aerogeneradores de eje vertical, su eje se encuentra situado de forma perpendicular a la dirección del viento, y no necesitan de mecanismo de orientación.
56 57
http://www.ecovive.com/los-aerogeneradores-segun-el-numero-de-palas http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/41/tema2/tema2-3.htm - 68 -
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Fig.4. 6 Aerogeneradores de eje vertical58
Los aerogeneradores de eje horizontal son los más utilizados en grandes parque eólicos e instalaciones aisladas, pueden estar situados a Barlovento o Sotavento.
Fig.4. 7 Aerogeneradores de eje Horizontal59
58 59
http://energias-renovables-y-limpias.blogspot.com/2012/07/aerogenerador-de-eje-horizontal-o-vertical.html http://energias-renovables-y-limpias.blogspot.com/2012/07/aerogenerador-de-eje-horizontal-o-vertical.html - 69 -
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 4.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA GENERACIÓN EÓLICA 4.4.1 VENTAJAS La generación de energía eléctrica por medio de los aerogeneradores eólicos representa una de las formas más interesante de generación de energía con respecto al crecimiento de la producción de energía eléctrica por medio de recursos renovables, tiene varias ventajas dentro de las cuales podemos mencionar:
Su fuente de energía proviene del viento, recurso inagotable. La generación de la energía eléctrica se la realiza directamente sin tener que utilizar fuentes no renovables. Fácil y rápido desmontaje al momento de terminar la vida útil de la instalación. Su desmontaje produce que se pueda nuevamente recuperar la zona. La generación de la energía es limpia, por lo tanto no emite compuestos contaminantes que produzcan lluvia ácida, o que contribuya al calentamiento global. Se trata de una tecnología madura, implementada en varias partes del mundo con buenos resultados tanto en lo ambiental como en lo económico.
4.4.2 DESVENTAJAS Como desventajas de la generación de energía eólica podemos mencionar los siguientes enunciados.
No se puede almacenar la energía generada en grandes cantidades. La generación puede variar con el tiempo dependiendo de la intermitencia del recurso eólico. El nivel sonoro que emiten los aerogeneradores. El efecto espantapájaros que se produce en las inmediaciones del parque eólico. Muerte de aves por el impacto con las palas o con las líneas de alta tensión.
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 4.5 CONCLUSIONES Y RECONMENDACIONES 4.5.1 CONCLUSIONES Es necesario implementar más fuentes de energía que utilicen recursos naturales renovables como pueden ser hidroeléctricas, solares o centrales eólicas, la aplicación de estos métodos nos llevaría a tratar de reducir un poco la contaminación ambiental a la que estamos expuestos hoy en día debido a los diferentes métodos que se utilizan para la generación de energía eléctrica, Este método que consiste en aprovechar la velocidad del viento es una buena alternativa para suplir las necesidades de pequeñas casas o comunidades donde el suministro de energía que provee la empresa eléctrica respectiva no llega, para que el sistema sea eficiente se debe realizar el estudio necesario sobre el recurso natural, dimensionar de manera adecuada el tipo de aerogenerador y los diferentes componentes del sistema que se requieran. Dentro de las factibilidades de implementar este sistema podemos decir que sería un gran aporte si el estado ayudara con financiamiento para la compra del sistema eólico, esto incentivaría a las poblaciones a utilizar este sistema, ya que como vimos en el capítulo anterior la inversión se recuperará en un plazo aproximado de 10 años, pudiendo variar este tiempo dependiendo del tipo de inversión. El beneficio que se logra en con este sistema es tanto económico como ambiental. Con la aplicación de este sistema se estaría aportando en la reducción del ruido que producen los generadores eléctricos, se reducirían gastos económicos por la compra del combustible y además lo más importante se estaría aportando con disminución de la contaminación ambiental ya que los generadores eléctricos emiten gases al ambiente. El objetivo de este estudio es tratar de cumplir con lo que dicta la constitución, el sumak kawsay o buen vivir 2013-2017 el cual trata sobre los derechos para mejorar la calidad de vida, dentro de estos derechos podemos citar varios tales como: vivir en un ambiente sano, derecho a un hábitat seguro y saludable, para esto el Ecuador tiene varios proyectos de generación como son hidroeléctricos, eólicos o solares los cuales aportarían para que la generación de energía eléctrica en nuestro país se la realice de manera que se pueda disminuir la contaminación ambiental. Si bien es cierto hemos mencionado que con este proyecto no se contaminará al medio ambiente, el paisaje visualmente no se verá afectado, se teme que si cause algo de malestar en las aves que habitan en la zona.
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 4.5.2 RECOMENDACIONES Una recomendación importante es que si se va a realizar la implantación de este tipo de central de generación de energía, se debe tener un estudio anual de la velocidad del viento en el sector, así mismo la instalación debe ser hecha por personas que conozcan del tema. Es importante también revisar los diferentes equipos que existen en el mercado, para poder así elegir el más idóneo, que cumpla con las características necesarias para que su funcionamiento cumpla con las necesidades. El gobierno debería implementar políticas de estado que incentiven la utilización de pequeños aerogeneradores, estas políticas podrían ser: Que la importación de los aerogeneradores se la realice con impuesto a bajo costo. El costo del aerogenerador sea financiado un porcentaje por el estado y el otro porcentaje por el usuario, esto que se lo haga en base al beneficio que recibirá el usuario. Que los aerogeneradores sean fabricados en el Ecuador, esto ayudaría a crear fuentes de empleo y a su vez disminuiría costo. Se debería implementar en las universidades en especial en las carreras de ingeniería, materias sobre energía renovables, que estas tengan mayor presencia en las mallas curriculares.
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ANEXOS
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA ANEXO A: MANUAL DE AEROGENERADOR
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UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERIA DE SISTEMAS, ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA ANEXO C: FICHA TÉCNICA DE CABLE CONDUCTOR
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ANEXO D: DATOS TÉCNICO DE BATERÍA
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