INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO
INGENIERÍA ELÉCTRICA
ESTUDIO DE FLUJO EÓLICO PARA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
EOLOELÉCTRICA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTA:
GALICIA MUÑOZ MIGUEL ANGEL
PATLAN SORROSA EMANUEL
SOSA GARCÍA EDUARDO ENRIQUE
ASESORES:
DR. RICARDO OCTAVIO ARTURO MOTA PALOMINO
M. EN C. JAVIER HERRERA ESPINOSA
M. EN C. MANUEL GARCÍA LOPEZ
MÉXICO, D.F. NOVIEMBRE 2012
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 1
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 2
AGRADECIMIENTOS
De: Miguel Ángel Galicia Muñoz
Antes de comenzar con la lectura de esta tesis, si el lector desea leer estos
agradecimientos, quiero que conozcan que son expresados con mis más sinceros
sentimientos.
A mis Padres:
Doy gracias a las personas más importantes en mi vida sobre todas las cosas,
gracias por darme ánimos de seguir estudiando sin que tuvieran idea de que me los
dieran.
Me brindaron y transmitieron ese apoyo incondicional, que solo un padre o una
madre le pueden dar a un hijo, porque amor más grande que el de ellos hacia un hijo,
no existe. Ustedes son mis mejores amigos, también las personas que me educaron
y gracias a ustedes más que nadie ahora me encuentro siendo lo que soy, haciendo
lo que he aprendido durante todos estos años, que es a no rendirme, a no bajar la
mirada ante nadie ni nada, a buscar una solución a todo, y cuando no se encontrara,
una alternativa de solución.
Día a día me enseñaron valores y responsabilidades así como obligaciones, gracias
a ustedes ¡mis padres! termino con éxito mi carrera. Es un paso más que se debe
realizar en esta vida, pero no por haber dado este gran paso, significa que dejaré de
luchar para salir adelante. Aún si el fracaso tocara en mi puerta, sé que cuento con
ustedes, para recibir un consejo ó para darme ánimos. Ya que solo ustedes estarán
en las buenas y en las malas durante el resto de mi vida o sus vidas.
¡Por eso y más doy gracias por todo!
Al Instituto Politécnico Nacional:
A esta gran institución en la cual me forjé a partir del nivel medio superior. Gracias a
esta maravillosa institución, hoy en día soy quien soy. Gracias a todas sus ventajas,
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 3
apoyos y demás servicios, mi carrera fue desarrollada de una manera positiva y con
un excelente camino.
En el Instituto Politécnico Nacional he topado de todo.
He vivido malas y gratas experiencias, que en algún momento de mi vida, pudieron
repercutir en lo que soy ahora y en lo que me desarrollaré en un futuro no muy
lejano.
De: Eduardo Enrique Sosa García
AGRADECIMIENTOS
A mis padres: Enrique Sosa Pérez y Teresa García Romero
Por el apoyo incondicional que me brindaron durante toda mi carrera, también a
todos mis familiares y amigos que siempre creyeron en mí.
A mis profesores: Christian Daniel Esperilla Villanueva y Javier Herrera Espinosa
Por la motivación, ayuda y palabras de aliento que me dieron en el momento que
más lo necesite.
Al Instituto Politécnico Nacional que me brindó la oportunidad y los medios para mi
formación profesional.
DEDICATORIA:
A mis padres que siempre me apoyaron, creyeron en mí, me tuvieron la suficiente
confianza y me motivaron. También a todos mis familiares y amigos que pusieron su
granito de arena para que el día de hoy sea un profesionista y con ganas de salir
adelante.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 4
De: Emanuel Parlan Sarrosa
Les agradezco principalmente a mis padres Dominga Sorrosa y Manuel Patlan por el
apoyo brindado en el transcurso de mi formación escolar y profesional, ya que
gracias al apoyo económico, alimenticio, psicológico y el tiempo que me dedicaron,
me ayudó a que hoy en día culminen mis estudios.
Cabe mencionar el apoyo de mis compañeros de estudio con los cuales, conviví a lo
largo de la presente generación escolar, compartiendo tareas y desveladas.
Agradezco a los profesores que formaron una parte fundamental en mi formación
profesional, a todos y cada uno de ellos, a los buenos y malos docentes, que nos
dejaron conocimientos, aptitudes, costumbres, razonamientos, etcétera.
Al Instituto Politécnico Nacional le agradezco su apoyo gracias a que pude ser
becario de su programa institucional ayudándome con mis gastos escolares.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 5
GLOSARIO Y LISTA DE SÍMBOLOS
MW: Mega Watts.
kW: Kilo Watts.
kW/h: Kilo Watt por hora.
kV: Kilo Volts
m/s: metros por segundo.
W/m2: Watt por metro cuadrado
CA: Corriente Alterna
CD: corriente Directa
Ee: Energía Extraíble
Cp: Coeficiente de Potencia
Eoloeléctrica: Es la energía obtenida por medio del viento, es decir, la energía
cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras
formas útiles para las actividades humanas.
Combustibles Fósiles: Son aquellos que proceden de la biomasa obtenida hace
millones de años y que ha sufrido grandes procesos de transformación hasta la
formación de sustancias de gran contenido energético como el carbón, el petróleo, o
el gas natural, etc.
Hidrocarburos: Son compuestos orgánicos formados únicamente por átomos
de carbono e hidrógeno. La estructura molecular consiste en un armazón de átomos
de carbono a los que se unen los átomos de hidrógeno. Los hidrocarburos son los
compuestos básicos de la Química Orgánica
Álabe: Es la paleta curva de una turbomáquina o máquina de fluido rotodinámica.
Forma parte del rodete y, en su caso, también del difusor o del distribuidor. Los
álabes desvían el flujo de corriente, bien para la transformación entre energía
cinética y energía de presión por el principio de Bernoulli, o bien para
intercambiar cantidad de movimiento del fluido con un momento de fuerza en el eje.
Volátil: Que cambia constantemente y de forma poco predecible.
Intermitencia: Interrupción y continuación sucesivas a intervalos regulares.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 6
Aunar (Aunado): Unir y armonizar o poner de acuerdo cosas distintas.
Portear (Porteó): Llevar o transportar una cosa de un lugar a otro a cambio de un
dinero previamente convenido.
Regiones Polares: Son las áreas de un planeta o cualquier astro que rodean
los polos geográficos. En la Tierra, el Polo Norte y el Polo Sur son los centros de
estas regiones, que están dominadas por capas de hielo, descansando
respectivamente en el océano Glacial Ártico y el continente antártico.
Vientos Alisios: Son aquellos que soplan de manera relativamente constante
en verano (hemisferio norte) y menos en invierno. Circulan entre los trópicos, desde
los 30-35º de latitud hacia el ecuador. Se dirigen desde las altas presiones
subtropicales, hacia las bajas presiones ecuatoriales. El movimiento de rotación de la
Tierra desvía a los alisios hacia el oeste, y por ello soplan del nordeste al sudoeste
en el hemisferio norte y del sudeste hacia el noroeste en el hemisferio sur.
Convergencia Intertropical: Es un cinturón de baja presión que ciñe el globo
terrestre en la región ecuatorial. Está formado, como su nombre indica, por
la convergencia de aire cálido y húmedo de latitudes al norte y al sur del ecuador. A
esta región también se la conoce como frente intertropical o zona de convergencia
ecuatorial.
Borrasca: Es una región donde la presión atmosférica es más baja que la del aire
circundante.
Odómetro: Dispositivo que indica la distancia recorrida en un viaje por un vehículo.
Anemómetro: Aparato meteorológico que se usa para la predicción del tiempo y,
específicamente, para medir la velocidad del viento.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 7
ÍNDICE GENERAL
INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................... 13
1.1 Generalidades ............................................................................................................................ 13
1.2 Objetivos ........................................................................................................................................... 14
1.2.1 Objetivo General ....................................................................................................................... 14
1.2.2 Objetivos Específicos ................................................................................................................ 14
1.3 Justificación ...................................................................................................................................... 14
1.4 Antecedentes ................................................................................................................................... 15
1.4.1 Diagnóstico ................................................................................................................................ 15
1.4.2 Acciones del Gobierno .............................................................................................................. 18
1.4.3 Acciones Específicas ................................................................................................................ 19
1.4.4 Obras de Interconexión ............................................................................................................. 21
1.4.5 Retos ......................................................................................................................................... 23
1.5 Estructura de la Memoria .............................................................................................................. 23
CAPÍTULO 2 ........................................................................................................................................... 25
EL RECURSO VIENTO .......................................................................................................................... 25
2.1 El Recurso Eólico ............................................................................................................................. 25
2.2 Patrones Globales de Circulación del Viento ................................................................................... 26
2.3 Cálculo de la Potencia del Viento .................................................................................................... 30
2.3.1 Distribución de Weibull .................................................................................................................. 33
2.3.2 Patrón Diario y Autocorrelación................................................................................................. 34
2.4 Información Necesaria para Evaluar el Uso de la Energía Eólica ................................................... 36
2.5 Métodos Utilizados para Medir la Velocidad del Viento ................................................................... 39
2.5.1 Información Empírica ................................................................................................................ 39
2.5.2 Anemómetros Totalizadores ..................................................................................................... 41
2.5.3 Método de Correlación .............................................................................................................. 43
2.5.4 Instalación de Pequeños Equipos Eólicos ................................................................................ 43
2.5.5 Adquisición de Datos en Tiempo Real ...................................................................................... 44
2.6 Tipos de Aerogeneradores ............................................................................................................... 45
2.6.1 Según el Eje del Rotor .............................................................................................................. 45
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 8
2.6.1.1 Eje vertical .......................................................................................................................... 45
2.6.1.2 Eje horizontal ...................................................................................................................... 45
Tripala ..................................................................................................................................... 45
Torres Tubulares .................................................................................................................... 46
2.6.2 Según Potencia Suministrada ................................................................................................... 47
2.6.2.1 Equipos de Baja Potencia .................................................................................................. 47
2.6.2.2 Equipos de Media Potencia................................................................................................ 47
2.6.2.3 Equipos de Alta Potencia ................................................................................................... 47
2.7 La Energía en el Viento: Densidad del Aire y Área de Barrido del Rotor ........................................ 48
2.7.1 Densidad del Aire ...................................................................................................................... 48
2.7.2 Área de Barrido del Rotor .......................................................................................................... 49
2.8 Partes Básicas de un Sistema Eólico Pequeño para Generación de Electricidad .......................... 49
2.8.1 Turbina Eólica ........................................................................................................................... 50
2.8.2 Alternador .................................................................................................................................. 51
Alternadores Síncronos .......................................................................................................... 51
Alternadores Asíncronos ........................................................................................................ 51
Alternadores Lentos ............................................................................................................... 52
Alternadores de Imanes Permanentes ................................................................................... 52
2.8.3 Torre y Cola ............................................................................................................................... 53
2.8.4 Balance del Sistema .................................................................................................................. 55
2.8.5 Banco de Baterías ..................................................................................................................... 55
2.8.5.1 Características Básicas ...................................................................................................... 55
2.8.5.2 Parámetros del Banco de Baterías .................................................................................... 56
2.8.5.3 Batería de Plomo Acido ...................................................................................................... 57
2.8.5.4 Vida Útil de las Baterías ..................................................................................................... 59
2.8.6 Inversor DC-AC ......................................................................................................................... 61
2.8.7 Sistemas Aislados ..................................................................................................................... 63
2.8.8 Sistemas Conectados a la Red ................................................................................................. 65
2.8.9 Energía Generada por una Turbina .......................................................................................... 65
2.9 Software HOMER ............................................................................................................................. 66
CAPÍTULO TRES ................................................................................................................................... 69
3.1 Software a Emplear .......................................................................................................................... 69
3.2 Lugar a Evaluar Potencial Eólico ..................................................................................................... 70
3.3 HOMER [9] ....................................................................................................................................... 71
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 9
3.3.1 Inserción de Datos .................................................................................................................... 71
3.3.2 Elección de la Turbina ............................................................................................................... 75
3.3.3 Características del Convertidor ................................................................................................. 76
3.3.4 Características de la Batería ..................................................................................................... 77
CAPÍTULO 4 ........................................................................................................................................... 79
ANALISIS Y RESULTADOS .................................................................................................................. 79
4.1 Resultados Para un Generador de 7.5 kW ...................................................................................... 79
4.1.1 Resultados Eléctricos ................................................................................................................ 79
4.1.2 Comportamiento del Aerogenerador ......................................................................................... 80
4.1.3 Comportamiento de la Batería .................................................................................................. 81
4.1.4 Comportamiento del Convertidor .............................................................................................. 81
4.2 Resultados con Dos Aerogeneradores de 7.5 kW ........................................................................... 82
4.2.1 Segundo Caso a Evaluar .......................................................................................................... 82
4.2.2 Resultados Eléctricos ................................................................................................................ 83
4.2.3 Comportamiento del Aerogenerador ......................................................................................... 83
4.2.4 Comportamiento de la Batería .................................................................................................. 84
4.2.5 Comportamiento del Convertidor .............................................................................................. 85
4.3 Estudio Técnico Económico ............................................................................................................. 86
4.3.1 Tarifa DAC ................................................................................................................................. 86
4.3.2 Costo de la Energía Consumida ............................................................................................... 87
4.3.3 Costo Total del Proyecto ........................................................................................................... 87
4.3.4 Análisis de la Rentabilidad del Sistema Eoloelectrico. ............................................................. 88
CAPÍTULO 5 ........................................................................................................................................... 90
CONCLUSIONES ................................................................................................................................... 90
CAPÍTULO 6 ........................................................................................................................................... 91
TRABAJOS A FUTURO ......................................................................................................................... 91
ANEXO 1 ................................................................................................................................................ 93
VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO CON LA ALTURA ...................................................... 94
ANEXO 2 ................................................................................................................................................ 96
ANEXO 3 ................................................................................................................................................ 98
ANEXO 4 .............................................................................................................................................. 101
REFERENCIAS .................................................................................................................................... 104
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 10
ÍNDICE DE TABLAS
Capítulo 1
Tabla 1. 1 Proyectos Eólicos Comprometidos. ............................................................................................... 17
Tabla 1. 2 Proyectos Eólicos potenciales. ....................................................................................................... 18
Tabla 1. 3 Obras de Interconexión. ................................................................................................................... 22
Capítulo 2
Tabla 2. 1 Variación de la Potencia Eólica Específica. ......................................................................... 32
Tabla 2. 2 Densidad del Aire a Diferentes Alturas Sobre el Nivel del Mar. ........................................... 33
Tabla 2. 3 Escala de Beaufort para la Intensidad de Viento. ................................................................. 41
Capítulo 3
Tabla 3. 1 Registro de Velocidades del Viento Anual. ........................................................................... 70
Tabla 3. 2 Datos de la carga en kW/h. ................................................................................................... 74
Capítulo 4
Tabla 4. 1 Limite Para Ingresar a Tarifa DAC. ....................................................................................... 85
Tabla 4. 2 Consumo y Costo de la Energía. .......................................................................................... 86
Tabla 4. 3 Costo Total del Proyecto. ...................................................................................................... 41
Tabla 4. 4 Rentabilidad del Sistema. ..................................................................................................... 87
Anexos
Tabla A1. Valores de Velocidad………………………………………………………………………………94
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 11
ÍNDICE DE FIGURAS
Capítulo 2
Figura 2. 1 Representación del Patrón Global de Circulación de Vientos. ............................................ 27
Figura 2. 2 Perfiles de Velocidad de Viento en Función de las Características del Terreno. ................ 28
Figura 2. 3 Aceleración del Viento en Pasos de Montaña. .................................................................... 30
Figura 2. 4 Velocidad del Viento. ........................................................................................................... 31
Figura 2. 5 Patrón Diario y Curva Sinusoidal de Ajuste. ........................................................................ 34
Figura 2. 6 Serie de Datos de Velocidad del Viento sin Autocorrelación (r1=0). ................................... 35
Figura 2. 7 Serie de Datos de Velocidad del Viento sin Autocorrelación (r1=0.96). .............................. 35
Figura 2. 8 Función de Autocorrelación de una Serie de Datos de Viento. ........................................... 35
Figura 2. 9 Función de Autocorrelación de una Serie de Datos de Viento sin Perfil Promedio Diario. . 36
Figura 2. 10 Deformación por la Incidencia Permanente del Viento. ..................................................... 40
Figura 2. 11 Anemómetro de Recorrido. ................................................................................................ 42
Figura 2. 12 Aerogenerador Tipo Tripala. .............................................................................................. 46
Figura 2. 13 Aerogenerador Tipo Torre Tubular. ................................................................................... 46
Figura 2. 14 Área del Barrido del Rotor. ................................................................................................ 48
Figura 2. 15 Partes Básicas. .................................................................................................................. 49
Figura 2. 16 Componentes Básicos de un Sistema de Generación Eólico ........................................... 50
Figura 2. 17 Conexión Estrella – Delta. ................................................................................................. 52
Figura 2. 18 Torre Abatible. .................................................................................................................... 54
Figura 2. 19 Curva de Vida Util de una Bateria de ciclo Profundo. ........................................................ 54
Figura 2. 20 Inversor Tipo Push Pull. ..................................................................................................... 60
Figura 2. 21 Sistema Aislado. ................................................................................................................ 63
Figura 2. 22 Tamaño Relativo de Pequeñas Turbinas Eolicas. ............................................................. 65
Capítulo 3 Figura 3. 1 Ubicación con Potencial Eólico. [7] ...................................................................................... 70
Figura 3. 2 Velocidad Anual Promedio a 20 y 40 metros. ...................................................................... 71
Figura 3. 3 Pestaña de Selección de los Elementos del Sistema. ......................................................... 71
Figura 3. 4 Selección de los Elementos del Sistema. ............................................................................ 72
Figura 3. 5 Inserción de Velocidades Promedio Mensuales. ................................................................. 73
Figura 3. 6 Carga Anual. ........................................................................................................................ 75
Figura 3. 7 Selección del Aerogenerador. .............................................................................................. 76
Figura 3. 8 Selección del Convertidor. ................................................................................................... 76
Figura 3. 9 Selección de la Batería. ....................................................................................................... 77
Figura 3. 10 Características de la batería S460. .................................................................................... 77
Figura 3. 11 Limitaciones o Restricciones del Sistema. ........................................................................ 78
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 12
Capítulo 4 Figura 4. 1 Resultados del Sistema con un Aerogenerador. ................................................................. 79
Figura 4. 2 Resultados Eléctricos........................................................................................................... 80
Figura 4. 3 Operación del Aerogenerador. ............................................................................................. 80
Figura 4. 4 Operación de la Batería. ...................................................................................................... 81
Figura 4. 5 Operación del Convertidor. .................................................................................................. 82
Figura 4. 6 Simulación con 2 aerogeneradores de 7.5kW. .................................................................... 82
Figura 4. 7 Resultados Eléctricos........................................................................................................... 83
Figura 4. 8 Operación del Aerogenerador. ............................................................................................. 84
Figura 4. 9 Operación de la Batería. ...................................................................................................... 85
Figura 4. 10 Operación del Convertidor. ................................................................................................ 85
Capítulo 6
Figura 6. 1 Aerogeneradores en Diferentes Niveles de Tensión. .......................................................... 91
Figura 6. 2 Implementación de Energías Renovables en Residencia. [8] ............................................. 92
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 13
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 Generalidades
La fuerza del viento ha sido utilizada por la humanidad desde épocas más remotas
de su historia, primero para transporte de personas, mercancías a través de los
mares en barcos de vela y luego, mediante mecanismos algo más complejos, para la
molienda de granos y el bombeo de agua. Al paso del tiempo la tecnología de las
máquinas eólicas ha evolucionado hasta un punto tal que en nuestros días
constituye incorporación de nuevos materiales y nuevas técnicas de ingeniería, las
grandes máquinas eólicas de hoy en poco se parecen a las gigantes máquinas que
se tenía antes.
La tecnología eólica para la generación eléctrica cobra importancia en un momento
en que la humanidad busca alternativas de generación de menor impacto ambiental,
y en el que las economías menos favorecidas buscan atraer capitales para mejorar
su infraestructura eléctrica a través de esquemas tecnológicos y financieros flexibles.
Varios países han emprendido con éxito la ruta eólica asimilando la tecnología,
creando con ello fuentes de empleo y construyendo centrales generadoras cuya
capacidad crece día con día. [3]
En México, la secretaría de energía impulsa el uso de las energías limpias como lo
es la energía eólica para la generación de electricidad y así disminuir la dependencia
del petróleo y las emisiones a la atmósfera de combustibles fósiles que contribuyen
al calentamiento global. A la fecha se cuenta con un total de 16 proyectos eólicos.
Nueve en el estado de Oaxaca, cinco en Baja California y dos en el estado de
Jalisco que para finales del 2012 se tendrán instalados cerca de 2000 MW en
parques eólicos. [1]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 14
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo General
Realizar un estudio de flujo eólico, que indique si la Península de Yucatán cuenta
con los recursos necesarios, para realizar la generación de energía eoloeléctrica en
pequeña escala por medio de aerogeneradores.
1.2.2 Objetivos Específicos
Conocer los métodos para realizar el cálculo de flujo eólico.
Realizar un estudio de flujo eólico.
Conocer los parámetros necesarios para realizar una simulación.
Realizar la simulación de un sistema eólico.
1.3 Justificación
Los procesos convencionales para la generación de electricidad que se basan en la
quema de combustibles fósiles, emiten cantidades importantes de gases de efecto
invernadero y de contaminantes atmosféricos.
En México el Gobierno Federal está convencido de que frenar el calentamiento
global y el cambio climático no es una responsabilidad exclusiva o aislada de las
naciones o los grupos económicos más desarrollados, sino que debe ser compartida,
en la medida de sus capacidades, por todos los individuos y las naciones, para
contribuir y aportar a la mitigación y solución de este desafío internacional. Por ello,
se ha tomado la decisión de implementar acciones de corto plazo que puedan
generar una transición energética nacional, es decir, un cambio radical en la manera
en la que se obtiene energía, así como en la que se consume.
Este trabajo de tesis tiene como objetivo disminuir las emisiones de gases de efecto
invernadero, mitigar el impacto ambiental del sector y contribuir a combatir los
efectos del cambio climático, para realizar una contribución que impulsará las
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 15
políticas, programas, proyectos y acciones encaminados a conseguir una mayor
utilización de las energías renovables y las tecnologías limpias, promover la
eficiencia y sustentabilidad energéticas.
Debido a que la tecnología eoloeléctrica ha alcanzado un nivel importante en el
desarrollo energético, tanto en lo técnico como en lo económico, se ha colocado en
uno de los primeros planos de atención para integrarla a los sistemas eléctricos
convencionales. Conforme a lo anterior se ha decidido utilizar este tipo de
generación eoloeléctrica renovable para el presente estudio. [1]
1.4 Antecedentes
1.4.1 Diagnóstico
Desde hace mucho tiempo se ha aprovechado la energía del viento o energía eólica
en aplicaciones como el transporte con velas, la molienda de granos y el bombeo de
agua, pero fue hasta hace relativamente pocos años, que se desarrolló la tecnología
para transformar esta energía en electricidad a gran escala.
El proceso consiste en atrapar la energía cinética asociada al viento y transformarla
en otra fuente de energía como la mecánica o la eléctrica.
Esta tecnología ha evolucionado desde finales del siglo XIX hasta alcanzar costos
muy competitivos, que le han permitido posicionarse en los mercados eléctricos
internacionales y complementar la oferta eléctrica mundial.
Además de las dimensiones, los principales cambios que están teniendo los
generadores eólicos el día de hoy son reflejo del avance que se tiene en materiales
para su fabricación y la evolución de los álabes, rotores, generadores y sistemas de
control.
Existen dos técnicas principales a partir de las cuales se ha buscado transformar la
energía eólica en electricidad:
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 16
a) La primera, que utiliza una máquina generadora de eje horizontal apoyada
en lo alto de una estructura, cuyo rotor está provisto con álabes o palas que le
permiten capturar la energía cinética del viento. Esta es la tecnología más
estudiada y utilizada en el planeta dado que permite capturar vientos de
alturas superiores, donde son más ricos, y su instalación y mantenimiento
presenta menos complicaciones.
b) La segunda, que utiliza un generador de eje vertical apoyado en el suelo
con un rotor igualmente provisto de álabes que le permiten capturar la
energía.
La tecnología continúa avanzando a través del aumento en las dimensiones y
eficiencia de las máquinas, pasando de las primeras que tenían una capacidad
medida en decenas de kilowatts, hasta máquinas de varios Megawatts que operan al
día de hoy. De igual forma, la explotación de este recurso renovable ha migrado
desde las zonas con viento en tierra hacia otras más complejas como el mar abierto.
Así como otras fuentes de energía renovable, la energía eólica presenta ventajas
importantes para cualquier matriz energética debido a sus costos, a que no produce
emisiones de gases de efecto invernadero y a que no está sujeta a la volatilidad de
los precios de los combustibles. En cambio, presenta desventajas en la distancia
entre las zonas de viento y las redes eléctricas, la contaminación visual y auditiva
que produce y el impacto que puede tener en la fauna que habita las zonas de viento
o utilizan este recurso como una guía en sus migraciones anuales. [2]
El potencial eólico, aunado al marco jurídico favorable, ha permitido que el día de
hoy se cuente con una cartera amplia de proyectos en operación y desarrollo, tal y
como se muestra en las tablas 1.1 y 1.2.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 17
Tabla 1. 1 Proyectos Eólicos Comprometidos.
Proyecto Desarrollador Región Modalidad MW
La Venta CFE Oaxaca Servicio Publico 1.6
Guerrero Negro CFE Baja California Servicio Publico 0.6
La Venta II CFE Oaxaca Servicio Publico 83.3
Eurus Acciona Oaxaca Autoabasto 250
Parques Ecológicos de
México
Iberdrola Oaxaca Autoabasto 79.9
Fuerza Eólica del Istmo Fuerza Eólica- Peñoles Oaxaca Autoabasto 30.0
Eléctrica del Valle de
México
Edf Energies Nouvelles-Mitsui Oaxaca Autoabasto 67.5
Eoliatec del Istmo Eoliatec Oaxaca Autoabasto 22.0
BiiNeeStipa
EnergíaEólica
CISA- Gamesa Oaxaca Autoabasto 26.3
La Venta III CFE Oaxaca Productor
Independiente
de Energía
101.4
Oaxaca I CFE Oaxaca Productor
Independiente
de Energía
101.4
Centro Regional de
Tecnología Eólica
Instituto de investigaciones
Eléctricas
Oaxaca Pequeño
Productor
5.0
Desarrollos Eólicos
Mexicanos
Demex Oaxaca Autoabasto 227.5
Eoliatec del Pacifico Eoliatec Oaxaca Autoabasto 160.5
Eoliatec del Istmo (2º
fase)
Eoliatec Oaxaca Autoabasto 142.2
Gamesa Energía Gamesa Oaxaca Autoabasto 288.0
Vientos del Istmo Preneal Oaxaca Autoabasto 180.0
Energía Alterna Istmeña Preneal Oaxaca Autoabasto 215.9
Unión Fenosa
Generación México
Unión Fenosa Oaxaca Autoabasto 227.5
Fuerza Eólica del Istmo
(2ºfase)
Fuerza Eólica Oaxaca Autoabasto 50.0
Oaxaca II- IV CFE Oaxaca Productor
Independiente
de Energía
304.2
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 18
Tabla 1. 2 Proyectos Eólicos potenciales.
Proyecto Desarrollador Región Modalidad MW
Fuerza Eólica de
Baja California
Fuerza eólica Baja California Exportación 300.0
México Wind UniónFenosa/global Baja California Exportación 500.0
ND CannonPower Baja California Exportación 200.0
Baja Wind SempraEnergy Baja California Exportación 250.0
Baja California Fuerza Eólica Baja California Autoabasto 10.0
ND Gobierno del
Estado
Baja California Autoabasto 10.0
Los Vergeles SEER Tamaulipas Autoabasto 160.0
Eólica Santa
Catarina
Econergy Nuevo León Autoabasto 20.0
Los proyectos actualmente instalados en Oaxaca se basan principalmente en la
modalidad de autoabastecimiento. La viabilidad de los proyectos está directamente
relacionada con las tarifas oficiales de energía eléctrica, los costos de inversión y
costos de porteó asociados al transporte de la energía desde el punto de
interconexión hasta los puntos de carga. [1]
1.4.2 Acciones del Gobierno
La energía eólica ha tenido un importante crecimiento en los últimos años,
colocándose como una de las principales fuentes renovables de generación
eléctrica. En México, ya se han tenido experiencias en Baja California y Oaxaca y, a
partir del año 2006, se inició el desarrollo de diversos parques eólicos bajo un
proyecto que se denominó Temporada Abierta.
Las inversiones estimadas de estos proyectos superan los 60 mil millones de pesos
y se espera que hacia el 2012 el 4% de la energía eléctrica demandada en el país
sea producida con energía eólica generando más de 10,000 empleos directos e
indirectos durante la construcción y una demanda de 374 empleos para su
operación.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 19
El Instituto de Investigaciones Eléctricas concluyó el Centro Regional de Tecnología
Eólica (Certe) en la región del Istmo de Tehuantepec, en Oaxaca, con apoyo del
Programa de Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) y el Fondo Mundial para el
Medio Ambiente (GEF). Este será un centro para la investigación y el desarrollo
tecnológico enfocado en la energía eólica.
Aunado a esto, continúa sus esfuerzos para ampliar la información sobre el potencial
eólico nacional mediante estudios de sitio que permiten tener un gran nivel de detalle
para la toma de decisiones sobre la instalación de parques eólicos.
Este instituto firmó un convenio con la Fundación Holandesa de Investigación en
Energía. Con el cual se está avanzando en la preparación del centro, con el fin de
certificar equipos eólicos para la Clase I y Clase I Especial. Este será el primer
laboratorio de su tipo y alcance en América Latina para condiciones de viento
intensas.
Adicionalmente, el Instituto de Ingeniería de la UNAM estudia alternativas para la
desalación de agua de mar en Baja California a partir de fuentes renovables, incluida
la energía eólica.
Además, las modificaciones que ha sufrido el marco legal aplicable a la energía
renovable, a través de nuevos contratos de interconexión y la creación de un marco
jurídico que destaque las ventajas de esta tecnología, han permitido que el país
avance con pasos firmes hacia el desarrollo de esta industria y de nuevas
herramientas que permitan ampliar la participación y el entendimiento de la energía
eólica en el beneficio de nuestro país. [1]
1.4.3 Acciones Específicas
Las características geográficas y meteorológicas del país permiten impulsar la
energía eólica, por lo que se plantean las siguientes acciones específicas:
1. Crear un portal que contenga información técnica, científica, tecnológica,
industrial y legal, junto con información de las regiones con potencial para el
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 20
desarrollo, así como de la infraestructura existente y necesaria para el
desarrollo de la industria eólica;
2. Vincular la política de energía eólica con programas de electrificación rural;
3. Establecer mecanismos de participación pública que permitan el diálogo y
articulación entre los actores públicos, privados y sociales claves para el
desarrollo de la industria;
4. Promover la utilización de las mejores prácticas internacionales para la
coexistencia de los sistemas eólicos con la biodiversidad y su hábitat, en
particular la fauna voladora residente y migratoria, así como con la vocación
natural de los suelos;
5. Identificar las capacidades técnicas, de servicios y de manufactura
disponibles en las zonas con recurso eólico;
6. Difundir ante el sector industrial los beneficios que se pueden obtener por la
manufactura de componentes de energía eólica, así como para su
investigación y desarrollo;
7. Promover la integración de Pequeñas y Medianas Empresas de bienes y
servicios asociados a la energía eólica;
8. Establecer mecanismos que permitan la transferencia de conocimiento por
parte de las empresas desarrolladoras de tecnología del extranjero, que
participen en proyectos nacionales, mediante esquemas que inicialmente
promuevan la incorporación de un porcentaje mínimo de contenido nacional
en el proyecto y que en el largo plazo fomenten un intercambio de
conocimiento que permita el desarrollo y manufactura de componentes y
hasta equipos completos en el país;
9. Identificar los requerimientos de transmisión y comunicaciones para el
desarrollo de zonas con potencial de desarrollo eólico, y diseñar reglas y
esquemas que permitan la construcción de dicha infraestructura;
10. Colaborar en el desarrollo de tecnologías que permitan maximizar el
aprovechamiento de vientos, no intensos pero constantes, que hagan técnica
y económicamente viables proyectos en un mayor número de regiones, así
como de tecnologías con esta característica y además de baja capacidad para
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 21
su aprovechamiento en proyectos rurales. Por otra parte, impulsar el
desarrollo de aquellas tecnologías que permitan maximizar el
aprovechamiento de vientos tan intensos como los que prevalecen en la zona
del Istmo de Tehuantepec;
11. Promover la colaboración entre las diferentes instituciones nacionales e
internacionales de educación superior en materia de investigación y desarrollo
para la energía eólica, así como el intercambio de información de expertos
para el desarrollo de la industria nacional;
12. Avanzar en el diseño de mejores materiales y elementos que permitan
reducir la relación costo-beneficio y aumenten la eficiencia, resistencia y
confiabilidad de generadores y álabes sujetos a distintas condiciones de
viento presentes en México y otras regiones del mundo;
13. Establecer líneas de investigación para el control e incorporación de la
energía eólica generada en condiciones excepcionales, aplicaciones urbanas,
aprovechamiento del recurso en mar abierto y equipos de clase especial;
14. Fomentar la integración estratégica de cadenas de suministro y la
participación de empresas nacionales dentro de cadenas internacionales que
maximicen el beneficio de la manufactura de componentes y equipos
mexicanos destinados a la industria de energía eólica;
15. Adoptar simuladores de pronóstico de viento que sirvan de base para el
pre-despacho de la energía eólica con y sin almacenamiento hídrico. [1]
1.4.4 Obras de Interconexión
Adicionalmente a la ubicación de las zonas de viento, es necesario determinar si
existe manera de explotarlo, de llevar los insumos al sitio donde se instalarán los
generadores y si existe la infraestructura necesaria para transmitir la energía
eléctrica. Tal es el caso de Oaxaca, donde se está construyendo una línea de
transmisión en 400 kV y reforzando dos líneas existentes para un total de 590
kilómetros por cada circuito; además se desarrollará una nueva subestación y se
modernizarán 3 existentes, lo que permitirá integrar parte del potencial eólico de la
zona al Sistema Eléctrico Nacional, para su aprovechamiento dentro de las
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 22
modalidades permitidas por la legislación vigente. Este proyecto tiene un costo
estimado de 3,800 millones de pesos.
La tabla 1.3 muestra los proyectos referidos en la meta, así como los proyectos de
autoabastecimiento que están en desarrollo. Estos proyectos, junto con otros
renovables, permitirán alcanzar la meta de participación de capacidad del Programa
Sectorial de Energía 2007-2012: [1]
Tabla 1. 3 Obras de Interconexión.
Proyectos Eólicos 2007 – 2012
Proyecto Desarrollador Ubicación Modalidad Mw
La Venta CFE Oaxaca Servicio Publico 1.35
Guerrero Negro CFE Baja California Servicio Publico 0.6
La Venta II CFE Oaxaca Servicio Publico 83.3
La Venta III CFE Oaxaca PIE 101.4
Oaxaca I CFE Oaxaca PIE 101.4
Oaxaca II- IV CFE Oaxaca PIE 304.2
Subtotal 1 592.5
Eurus Acciona Oaxaca Autoabasto 250.0
Parques Ecológicos de
México
Iberdrola Oaxaca Autoabasto 79.9
Fuerza Eólica del Istmo Fuerza Eólica- Peñoles Oaxaca Autoabasto 30.0
Eléctrica del Valle de
México
EdfEnergiesNouvelles-Mitsui Oaxaca Autoabasto 67.5
Eoliatec del Istmo Eoliatec Oaxaca Autoabasto 21.2
BiiNeeStipa Energía
Eólica
CISA- Gamesa Oaxaca Autoabasto 26.3
Desarrollos Eólicos
Mexicanos
Demex Oaxaca Autoabasto 227.5
Eoliatec del Pacifico Eoliatec Oaxaca Autoabasto 160.5
Eoliatec del Istmo (2º
fase)
Eoliatec Oaxaca Autoabasto 142.2
Gamesa Energía Gamesa Oaxaca Autoabasto 288.0
Vientos del Istmo Preneal Oaxaca Autoabasto 180.0
Energía Alterna Istmeña Preneal Oaxaca Autoabasto 215.9
Unión Fenosa
Generación México
Unión Fenosa Oaxaca Autoabasto 227.5
Fuerza Eólica del Istmo
(2ºfase)
Fuerza Eólica Oaxaca Autoabasto 50.0
Centro Regional de
Tecnología Eólica
Instituto de investigaciones
Eléctricas
Oaxaca Pequeña
Producción
5.0
Subtotal 2 1971.5
Total 2564.0
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 23
1.4.5 Retos
Existen retos comunes a los que se enfrenta la energía eólica en México y el mundo.
La disponibilidad de equipos eólicos ha sido muy volátil en los últimos años, al igual
que sus precios, por el exceso de demanda de equipos en el mundo y las
capacidades limitadas de manufactura. Contar con una disponibilidad local de
equipos, componentes y servicios para la instalación y desarrollo de estos proyectos
dará una clara ventaja a la tecnología para un desarrollo exitoso en México y
permitiría posicionar al país como un polo tecnológico para la región.
Es importante lograr avances en el diseño y utilización de materiales que permitan
aumentar la eficiencia de generación de las máquinas así como su competitividad
frente a otras tecnologías. De igual forma, es necesario contar con equipos
diseñados específicamente para las condiciones de viento presentes en México.
Por otro lado, las restricciones de acceso y distancias para interconexión de
proyectos a las redes eléctricas han sido una gran barrera en las zonas donde se
desarrollarán los proyectos. Por esto, es necesario diseñar esquemas que permitan
instalar la infraestructura de transmisión y comunicación necesaria para el desarrollo
exitoso de proyectos de energía eólica.
Por último, para lograr un desarrollo sostenible del crecimiento de la industria de las
energías renovables en México, debemos implementar medidas que protejan la
biodiversidad en las zonas de viento. [1]
1.5 Estructura de la Memoria
El presente trabajo de tesis cuenta con 6 capítulos, incluido el presente que
corresponde a la introducción. A continuación se detallan los contenidos principales
de cada capítulo.
En el Capítulo 2 se muestran los principales antecedentes teóricos relacionados
con la energía eólica y los elementos que conforman a un aerogenerador además
se describen las partes de un sistema de generación eólico.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 24
Mientras que en el Capítulo 3 se muestra el software a emplear (HOMER), el
lugar a evaluar el potencial eólico, después de esto viene la inserción de datos al
programa y posteriormente la selección de los equipos que satisfacen las
necesidades de nuestro sistema a simular.
En el Capítulo 4 se presentan los resultados de las simulaciones, así como el
comportamiento de los equipos que se seleccionaron, tanto para el primer caso (1
aerogenerador), como para el segundo (2 aerogeneradores).
En el Capítulo 5 se explican las conclusiones del presente proyecto, finalmente en
el Capítulo 6 los tópicos pendientes de analizar en trabajos futuros en esta misma
temática.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 25
CAPÍTULO 2
EL RECURSO VIENTO
2.1 El Recurso Eólico
El viento es aire en movimiento, tanto horizontal como vertical. Generalmente se
suele aplicar a la corriente de aire que se desplaza en sentido horizontal propio de
la atmósfera; los movimientos verticales, o casi verticales, se llaman corrientes. Los
vientos se producen por diferencias depresión atmosférica, atribuidas, a diferencias
de temperatura.
La determinación precisa del recurso eólico es una tarea difícil e incierta,
especialmente cuando se compara con la energía solar o la energía hidráulica. Las
razones para esto son:
a) Una gran variabilidad de velocidades de viento que se encuentra en las
diferentes regiones del mundo, teniendo un promedio anual de velocidad de 2
m/s hasta 4 ó 7 m/s en lugares con mucho viento. Esta variación en viento
implica una mayor variabilidad en la potencia disponible, desde 40 a 200
W/m2.
b) Inmensas diferencias en velocidad de viento (y por ende en potencia) se
observan en pequeñas distancias debido a la cambiante topografía del
terreno y su rugosidad. En pequeñas distancias la potencia eólica puede
variar en un orden de magnitud.
c) Es difícil medir el potencial eólico con precisión. El viento, generalmente, se
mide con su velocidad y dirección. La potencia eólica es proporcional al cubo
de la velocidad del viento, significando esto que un pequeño error en su
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 26
medición causa un mayor error en la potencia calculada. Por ejemplo, la
potencia eólica en un viento de 5 m/s es el doble que en un viento de 4 m/s.
Por estas razones no es posible presentar, en general, una metodología simple y
directa para la evaluación del recurso eólico. Sin embargo se dará aquí una
introducción a los aspectos principales y la terminología típicamente utilizada. [5]
¿Qué es la Energía Eólica?
Es la energía que podemos obtener de la fuerza del viento o también la energía
eólica es la energía cinética presente en las corrientes de aire o viento.
2.2 Patrones Globales de Circulación del Viento
El viento es aire en movimiento y es una forma indirecta de la energía solar. Este
movimiento de las masas de aire se origina por diferencias de temperatura causada
por la radiación solar sobre la superficie terrestre, que junto a la rotación de la tierra,
crean entonces los llamados patrones globales de circulación.
El flujo de energía solar total absorbido por la tierra es del orden de 1017watts, lo cual
es aproximadamente 10,000 veces la tasa total mundial del consumo energético.
Una pequeña porción del flujo total solar (aproximadamente 1% o 1015watts) se
convierte en movimiento atmosférico o viento.
En una escala global las regiones alrededor del ecuador reciben una ganancia neta
de energía mientras que en las regiones polares hay una pérdida neta de energía
por radiación.
Esto implica un mecanismo por el cual la energía recibida en las regiones
ecuatoriales sean transportadas a los polos.
Las masas de aire caliente en la región ecuatorial ascienden (causando la formación
de nubes y de relámpagos) en una banda delgada de alrededor 100 Km. de ancho,
llamada la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT). Esta zona se ubica más o
menos paralela al ecuador alrededor de la tierra (Ver Figura 2.1).
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 27
Figura 2. 1 Representación del Patrón Global de Circulación de Vientos.
En la parte superior de la atmósfera estas masas de aire se dividen en dos, una
alejándose del ecuador hacia el norte y otra alejándose hacia el sur. Al alejarse del
ecuador, el aire se enfría y se vuelve más pesado. A aproximadamente 30° de latitud
Norte y Sur, este aire empieza a descender, causando un clima seco y sin nubes. En
estas latitudes es donde se encuentran los grandes desiertos alrededor del mundo.
A nivel de superficie terrestre, los vientos se devuelven hacia el ecuador como
vientos alisios.
Debido a la rotación de la tierra su dirección se desvía hacia el oeste en los dos
hemisferios norte y sur. Por esto la dirección de los vientos alisios es NE y SE (la
dirección se determina por la dirección de donde viene el viento y no hacia donde se
dirige).
La Zona de Convergencia Intertropical se desplaza hacia al norte del ecuador
durante el verano del hemisferio norte y hacia el sur en el invierno. Es muy estable y
por esto los vientos alisios son permanentes. Dentro de esta zona, se encuentran
vientos de baja intensidad, interrumpidos por un alto nivel de tormentas eléctricas. Al
tiempo, se pueden experimentar largos períodos de calma de viento.
En el exterior de la circulación entre los trópicos, vientos del oeste son
predominantes. Esta circulación es más bien inestable y se caracteriza por una
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 28
estructura ondulada y formación de depresiones atmosféricas moviéndose del oeste
hacia el este.
Desviaciones del patrón general de circulación de aire en movimiento ocurren debido
a la distribución no homogénea de masas de tierra sobre el globo. En promedio,
mayor concentración de masas de tierra se encuentra en el hemisferio norte que en
el hemisferio sur.
Dado que la masa de tierra se calienta más fácilmente por el sol, que los océanos, la
posición promedio de la ZCIT es 5° Norte del ecuador. [5]
Variación del Viento con la Altura Sobre el Terreno
El perfil del viento (v.g.- la velocidad de viento como una función de la altura sobre el
terreno) puede ser expresado en una relación matemática sencilla. La forma de este
perfil dependerá principalmente de la rugosidad del terreno. La Figura 2.2 ilustra el
comportamiento de perfil de velocidades del viento en función de las características
topográficas del terreno.
Figura 2. 2 Perfiles de Velocidad de Viento en Función de las Características del Terreno.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 29
Para terreno plano y abierto (esto es, libre de obstáculos de gran tamaño y con
vegetación de pequeño tamaño relativo) se han desarrollado algunos conceptos
generales muy útiles (Ver Anexo 1).
A mayor rugosidad (relativo a la altura promedio de los obstáculos), mayor será la
desaceleración del viento cerca de la superficie. Algunos métodos de clasificación
general se han desarrollado para cuantificar esta rugosidad de la superficie (Ver
Anexo 1). La rugosidad al ser cuantificada en un lugar específico, puede variar en
diferentes direcciones; y por lo tanto el perfil de velocidades de viento dependerá de
la dirección del viento.
Otro concepto importante es la velocidad de viento potencial, que se define como la
velocidad de viento que se observaría en un terreno completamente plano y abierto,
típicamente especificado para 10 metros de altura sobre el terreno. La velocidad de
viento potencial es básicamente una magnitud de escala media. Debido a su
definición, esta no depende de características de rugosidad locales. A través del
perfil para terreno abierto y plano, esta velocidad se relaciona con la velocidad de
viento a 60 y 100 metros sobre la superficie del terreno. Esta es la cantidad que
típicamente se indica en los mapas eólicos.
Siendo esta una cantidad de escala media, es bastante constante a distancias
razonable (algunos cuantos kilómetros de distancia horizontal).
Para hallar la velocidad de viento actual (no potencial) en un lugar específico, se
deben aplicar correlaciones a la velocidad de viento potencial, la cual dependerá
sobre las características de rugosidad del lugar (ver Anexo 1).
Para el terreno Complejo (montañas, colinas, valles, pasos entre montañas) la
situación es bastante diferente (Ver figura 2.3). El flujo de viento sobre y alrededor de
montañas es complejo y hasta ahora, conceptos analíticos sencillos (como el perfil
de velocidades y velocidad de viento potencial para terreno plano) no existen para
modelar tales flujos. [5]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 30
Figura 2. 3 Aceleración del Viento en Pasos de Montaña.
2.3 Cálculo de la Potencia del Viento
La potencia en el viento soplando con una velocidad V a través de un área A
perpendicular a V, es:
PVIENTO= ½ φAV3 (watts)
Dónde:
Pviento: es la potencia en el viento en watts
φ: es la densidad del aire (aprox. 1.2 Kg/m3)
V: es la velocidad del viento en m/s
A: es el área perpendicular al viento en m2
Si la velocidad del viento se duplica, la potencia es ocho veces más grande. De 2 a 3
m/s de velocidad de viento, la potencia del viento es más de tres veces. De 4 a 5 m/s
de velocidad de viento, la potencia es el doble (Ver figura 2.4 y tabla 2.1).
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 31
Figura 2. 4 Velocidad del Viento.
En un día con borrasca la velocidad del viento puede variar de 1 a 10 m/s, implicando
que la potencia en el viento cambia por un factor de 103 = 1000. Un cambio de esta
magnitud no ocurre diariamente, pero si refleja las grandes variaciones que la
potencia del viento puede alcanzar en diferentes lugares y escalas de tiempo.
Adicional a la velocidad del viento, la potencia eólica se ve además afectada por
variaciones en la densidad del aire, sobre todo si se pretenden realizar instalaciones
en zonas montañosas de gran elevación sobre el nivel del mar.
Normalmente, la potencia eólica teórica se da como potencia eólica específica, esto
es por unidad de área. Así que:
PVIENTO= ½ φV3 (w/m2)
En la que PVIENTO está expresada en watts por metro cuadrado.
Tomando como referencia la ecuación anterior se sabe que la Energía Disponible es
la siguiente:
E = P*t
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 32
Dónde: t = tiempo
No toda la potencia incidente del viento puede ser aprovechada por la turbina eólica,
existiendo un límite teórico máximo para la conversión, denominado Límite de Betz,
que indica que, como máximo, se puede extraer el 59% de la energía del viento
utilizando un aerogenerador de eje horizontal. Este límite se representa mediante
un factor denominado Coeficiente de Pérdidas del Rotor o Eficiencia del Rotor
(Cp), con lo que la expresión para la potencia de salida de la turbina eólica es la
siguiente:
Por lo tanto la Energía Extraíble es la siguiente:
Dónde: = Coeficiente de Potencia ( <0.59)
La tabla 2.1 muestra la variación de la potencia eólica específica para diferentes
valores de velocidad de viento, con la densidad del aire a condiciones estándar a la
altura del nivel del mar (1.2 Kg/m3).
La tabla 2.2 muestra la variación de la densidad del aire para diferentes alturas sobre
el nivel del mar y temperatura. Para el cálculo de la potencia eólica a diferentes
alturas sobre el nivel del mar, esta deberá ser corregida utilizando el verdadero valor
de la densidad según esta tabla. [5]
Tabla 2. 1 Variación de la Potencia Eólica Específica.
Velocidad del viento en m/s Potencia Eólica Especifica en (w/m2)
2 5
3 16
4 38
5 75
6 130
7 206
8 307
9 437
10 600
11 800
12 1040
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 33
Tabla 2. 2 Densidad del Aire a Diferentes Alturas Sobre el Nivel del Mar.
Altura sobre el nivel del mar(m) Densidad de aire seco en Kg/m3 a:
20°C 0°C
0 1.204 1.292
500 1.134 1.217
1,000 1.068 1.146
1,500 1.005 1.078
2,000 0.945 1.014
2,500 0.887 0.952
3,000 0.883 0.894
3,500 0.781 0.839
4,000 0.732 0.786
2.3.1 Distribución de Weibull
Las variaciones temporales de la velocidad del viento pueden ser descritas a
través de una función de distribución probabilística llamada distribución de Weibull
que se basa en que, en la mayoría de los lugares, las mediciones de largo plazo
muestran que los vientos extremadamente fuertes son poco frecuentes mientras que
aquellos moderados y frescos son más comunes.
La función de densidad de Weibull está dada por la ecuación:
( )
(
)
(
)
Dónde:
= Velocidad del Viento (m/s)
= Factor de Forma de Weibull (adimensional)
= Factor de Escala de Weibull (m/s)
La siguiente ecuación relaciona los dos parámetros de Weibull:
(
)
Donde:
= Velocidad promedio del viento
= Es la función Gamma
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 34
En base a lo anterior, es posible describir una distribución de Weibull usando sólo la
velocidad promedio del viento y el factor de forma de Weibull .
El parámetro indica la amplitud de la distribución de velocidades de viento.
Basándose en la Norma IEC 61400-1 se tiene entonces que = 2 y una componente
vertical de viento de 8° como máximo, un valor más grande requeriría un análisis
más profundo.
2.3.2 Patrón Diario y Autocorrelación
La Fuerza del Patrón Diario es una medida de la dependencia entre la velocidad del
viento y la hora del día. Debido a que el viento típicamente está afectado por la
irradiación solar, la mayoría de los lugares muestran algún patrón diario del mismo.
Para medir este factor se debe obtener el perfil diario promedio, que son los 24
valores de velocidad media anual del viento para cada hora del día.
Una vez obtenido el perfil diario promedio se realiza un ajuste sinusoidal a dicho
perfil, en base a una función coseno. La Figura 2.5 muestra un patrón diario
promedio junto con la función sinusoidal que mejor se ajusta al mismo. La función
coseno ajustada al patrón diurno promedio es de la forma:
Figura 2. 5 Patrón Diario y Curva Sinusoidal de Ajuste.
Las series de datos de velocidad del viento típicamente exhiben autocorrelación, que
puede ser definida como el grado de dependencia del valor actual con respecto a los
valores precedentes. En ausencia de autocorrelación, cada dato es completamente
independiente del valor previo y los datos son aleatorios, como en la Figura 2.7. En
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 35
una serie fuertemente autocorrelacionada, el valor a una cierta hora está fuertemente
influenciado por los valores en las horas previas, como en la Figura 2.8. Ambas
figuras tienen la misma velocidad promedio y el mismo parámetro k, difiriendo sólo
en la autocorrelación.
Figura 2. 6 Serie de Datos de Velocidad del Viento sin Autocorrelación (r1=0).
Figura 2. 7 Serie de Datos de Velocidad del Viento sin Autocorrelación (r1=0.96).
El factor de autocorrelación es una medida de cómo depende la velocidad del viento
en una hora de la velocidad del viento en las horas previas. Los patrones diarios del
viento tienden a complicar la función de autocorrelación. A continuación se muestra
un gráfico de la función de autocorrelación de una serie de datos del viento.
Figura 2. 8 Función de Autocorrelación de una Serie de Datos de Viento.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 36
Figura 2. 9 Función de Autocorrelación de una Serie de Datos de Viento sin Perfil Promedio Diario.
Para simplificar las características diario de autocorrelación del viento, se restan los
valores del patrón promedio diario a la serie de datos para cada hora del año,
resultando una serie con una velocidad promedio de 0 m/s y sin patrón diario. La
función de autocorrelación de esta nueva serie de tiempo típicamente no muestra
oscilación, como se muestra en la Figura 2.9, observándose que dicha función cae
rápidamente en forma exponencial, por lo que se puede aproximar que:
Donde rj es la autocorrelación entre dos series horarias separadas por un retraso
de j horas. Se puede calcular rj para distintos valores de j y obtener una
función conocida como la función de autocorrelación.
Entonces se puede usar el parámetro r1 para describir el grado de autocorrelación.
Este valor se llama factor de autocorrelación de los datos de viento, en el programa
de computadora HOMER se utiliza un Factor de Autocorrelación de 0.85.
2.4 Información Necesaria para Evaluar el Uso de la Energía Eólica
Esta sección revisa los requerimientos de datos meteorológicos para una adecuada
evaluación del recurso eólico; y por ende dimensionamiento y evaluación de
sistemas de conversión de energía eólica para generación eléctrica, bombeo de agua
y otros usos potenciales.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 37
Adicionalmente, se mencionan los diversos métodos de adquirir y colectar datos
meteorológicos de manera generalizada a escala regional o nacional.
Datos Meteorológicos Requeridos
La información necesaria para evaluar la aplicación de sistemas de conversión de la
energía eólica, es:
Velocidad de Viento Promedio Anual: La velocidad de viento promedio por
un periodo largo puede ser utilizada como una primera indicación de la
viabilidad de uso de la energía eólica.
Variaciones Estacionales: Datos sobre variaciones estacionales de la
velocidad de viento (normalmente presentada como promedios mensuales de
velocidad de viento son de importancia para estimar la variación estacional de
entrega de energía, y así determinar el mes de diseño critico (v.g.: mes de
menor energía eólica disponible) para la instalación que se desea.
Variaciones Diurnas: Variaciones a lo largo del día pueden tener influencia
en la viabilidad de uso de la energía eólica. En lugares que poseen una
velocidad de viento baja durante las 24 horas del día, la viabilidad de uso será
dudosa. Se puede estudiar los dos ejemplos que siguen; en una región o lugar
donde la intensidad del viento es baja durante 16 horas al día, pero presenta
vientos de 6 m/s las restantes 8 horas del día, una aplicación eólica puede ser
económicamente viable. En otro caso puede ser que a lo largo de las 24 horas
del día se registran vientos que no exceden los 2 m/s, en los dos casos
presentados, la velocidad promedio diaria no excede los 2 m/s.
Borrascas, vientos extremos: Datos sobre borrascas y vientos de muy alta
intensidad son necesarios para determinar las máximas velocidades de viento
en las cuales cualquier equipo de conversión de energía eólica puede ser
capaz de aguantar sin presentar daño.
Períodos de Calma: Se requiere información sobre períodos largos de baja
intensidad del viento para determinar las dimensiones de elementos como
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 38
baterías o tanques de almacenamiento de agua para suplir suministro de
energía cuando el equipo eólico no se encuentre en operación.
Distribución de Frecuencia de Velocidades de Viento: Para realizar un
estimativo adecuado de la probable producción de energía de cualquier
equipo eólico, la distribución de frecuencia de la velocidad de viento
(porcentaje del tiempo en que una velocidad de viento dada ocurre en el año)
es de gran utilidad.
Una fuente natural de información son los registros de viento realizados por el
servicio nacional de meteorología (IDEAM, antiguo HIMAT) pero esta información
debe ser estudiada con extremo cuidado. Muchas veces, el servicio meteorológico
recauda información eólica en aeropuertos y los datos son colectados a 10 metros de
altura sobre la superficie; o en otros casos, la medición de viento es realizada con
fines agrometeorológicos y no energéticos, en medio de poblaciones con sistemas
anticuados (descalibrados) y mal localizados con respecto al viento.
Así pues, al estudiar los registros meteorológicos, es típico encontrar en el mejor de
los casos, en la mayoría de las estaciones, promedios anuales de velocidad de
viento entre 2 y 3 m/s los cuales quizás no corresponden a la condición real de viento
en la región, ya que como se mencionó anteriormente, la ubicación de la estación
meteorológica y/o el tipo de registradores no son los más adecuados para medir el
recurso eólico. En consecuencia, no se puede planificar ningún tipo de proyecto
eólico con base a esta información histórica, a menos que se verifique su precisión,
la cual generalmente, es una dificultad adicional.
No es recomendable utilizar información de datos de viento suministrada por
estaciones agrometeorológicas. Mucha de la información es de poca utilidad para
evaluar el recurso eólico; ya que son mediciones realizadas a 2 metros de altura
sobre la superficie, en lugares generalmente no expuestos adecuadamente al viento.
La evaluación del potencial energético eólico de una zona, es una labor que requiere
tiempo además de recursos económicos para realizarse adecuadamente. Es
necesario colectar datos meteorológicos por lo menos durante un año, si se desea
realizar una prospección con cierto grado de certidumbre. A diferencia de la
estimación del recurso solar, donde se pueden cubrir mayores áreas con la
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 39
evaluación de los parámetros meteorológicos; el recurso eólico, por su propia
naturaleza, tiene un comportamiento especifico en el lugar y presenta variaciones
espaciales substanciales. Esto quiere decir que al realizar mediciones puntuales en
un sitio, las magnitudes de la velocidad de viento y su dirección, en una distancia de
100 metros, pueden ser diferentes, sin embargo puede existir una variación numérica
proporcional entre sus magnitudes y su comportamiento, en general.
La adecuada determinación de la variación del recurso eólico en un año permite
dimensionar el tamaño del equipo eólico para un requerimiento dado de energía. Al
mismo tiempo, al conocerse los períodos largos de calma, se identificará la
necesidad de almacenamiento de energía durante varios días, o en su defecto la
necesidad de instalar un sistema alterno de generación como un sistema fotovoltaico
o un equipo diésel asociado para el suministro confiable de energía. Así pues, la
estrategia que se utilice para evaluar el recurso estará acorde con las necesidades
energéticas del lugar, ya que al requerirse entrega de energía para una población
pequeña, el nivel de sofisticación de la evaluación será mayor, al compararse con la
necesidad de entregar energía a pequeños consumidores individuales. Esto traduce
que, para instalar pequeños sistemas eólicos individuales, un estimativo cercano a la
velocidad promedio anual de viento en el lugar será suficiente y menos costoso que
un programa detallado de evaluación.
2.5 Métodos Utilizados para Medir la Velocidad del Viento
Estimaciones del recurso eólico se basan en algunas estrategias útiles como son:
Colección de información de manera empírica, anemómetros totalizadores, por
factores de correlación, instalación de pequeños equipos eólicos o por adquisición de
datos meteorológicos en tiempo real.
2.5.1 Información Empírica
Esta información se recoge con base a visitas realizadas al lugar, donde las
condiciones de topografía, de vegetación y la información de los habitantes de la
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 40
región aportan valiosa información en la identificación de lugares con altos niveles de
velocidad de viento. Por ejemplo, la constante incidencia del viento en los árboles a
lo largo del tiempo, o sobre la vegetación, hacen que estos crezcan inclinados en la
dirección predominante del viento (Figura 2.10 ilustra la deformación causada en
árboles de pino por la incidencia permanente del viento y su relación con la velocidad
promedio anual esperada).
Figura 2. 10 Deformación por la Incidencia Permanente del Viento.
Información empírica puntual puede ser deducida, además, a partir de tablas como la
escala de Beaufort que se presenta en la Tabla 2.3, en esta tabla solo se indica las
características de incidencia del viento en tierra, sin embargo existe una
correspondencia con fenómenos sobre el mar, la cual no se incluye.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 41
Tabla 2. 3 Escala de Beaufort para la Intensidad de Viento.
Numero Beaufort
Velocidad de Viento (m/s)
Efectos observados en tierra
0 0 - 0.2 Calma, humo haciende verticalmente.
1 0.3 – 1.5 El humo indica la dirección del viento, aspas de molinos no se mueven.
2 1.6 – 3.3 Se siente el viento en la cara; se mueven las hojas de los arboles; aspas de molinos se empiezan a mover.
3 3.4 – 5.4 Hojas y ramas pequeñas se mueven constantemente; banderas livianas se extienden.
4 5.5 – 7.9 Polvo, hojas y papel en el piso se levanta; ramas se mueven.
5 8.0 – 10.7 Pequeños arboles comienzan a bambolear.
6 10.8 – 13.8 Ramas grandes de los árboles en movimiento, silbido emana de cuerdas.
7 13.9 – 17.1 Todo el árbol se mueve; resistencia fuerte al caminar contra el viento.
8 17.2 – 20.7 Ramitas y ramas de los árboles se rompen; caminar es difícil.
Análogamente, la presencia de algunos molinos de viento instalados años atrás, dan
un verdadero indicio de que el lugar presenta un régimen adecuado de viento, para
profundizar en su evaluación. Es claro que la información empírica, así recogida, no
permite conocer un valor aproximado de velocidad promedio anual del viento, pero si
permite identificar sitios para futura evaluación del recurso. [5]
2.5.2 Anemómetros Totalizadores
Una manera efectiva de determinar los valores promedios globales del
comportamiento del viento es por medio de la instalación de anemómetros
totalizadores. Estos elementos son anemómetros de cazoletas con medidor de
revoluciones que al ser accionados por el viento miden el recorrido equivalente que
ha pasado a través del instrumento (Ver figura 2.11). Al estar conectado al odómetro
se podrá entonces establecer para un período dado de tiempo, el número de metros
o kilómetros de recorrido. Esta relación entre el recorrido y el tiempo de medida,
permite entonces conocer la velocidad promedio del viento. Así por ejemplo, si el
período de medida del recorrido del viento es de una hora y se registran que han
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 42
pasado 16.2 Km. de viento; la velocidad horaria será de 16.2 Km. por hora (4.5 m/s
promedio horario).
La dificultad de este sistema radica en que el anemómetro deberá estar localizado en
un lugar donde las condiciones sean limpias, con muy pocos obstáculos alrededor; y
están a 10 metros de altura sobre la superficie del terreno. Así pues al realizarse la
lectura, el visualizador del odómetro deberá estar localizado muy cerca del suelo, ya
que las torres para la instalación de anemómetros, por lo general, no son lo
suficientemente robustas para sostener el peso de una persona que ascienda para
realizar las lecturas.
Figura 2. 11 Anemómetro de Recorrido.
Con la recopilación de esta información totalizada y con promedios de velocidad de
viento, se caracteriza formalmente el régimen de vientos presente en un lugar,
identificándose con gran certeza las variaciones tanto diurnas como mensuales o
estacionales.
Idealmente, mediciones de la distancia de viento recorrido a través del anemómetro
en períodos de una hora serían de mucha utilidad, no obstante períodos más largos
pueden ser utilizados, con la correspondiente pérdida de información para evaluar el
recurso eólico. [5]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 43
2.5.3 Método de Correlación
Este método de estimación, permite combinar mediciones realizadas en un lugar
específico, con registradores de velocidad de viento de cualquier tipo; con los datos
publicados y suministrados por el servicio de meteorología en estaciones aledañas al
lugar.
Se puede realizar mediciones de viento por un período corto de tiempo en un lugar
(por ejemplo: algunos cuantos meses) y al comparar con datos obtenidos,
simultáneamente, en una estación meteorológica cercana al lugar se pueden
producir coeficientes numéricos de proporcionalidad a través de comparar los valores
promedios medidos (diurnos y/o mensuales) con los datos publicados por el servicio
de meteorología. Si se da una buena correlación (Consistentes y similares valores
numéricos), por ejemplo, con promedios mensuales de viento, y se cuenta con varios
años de información meteorológica, se aproximará mucho más a una estimación real
del potencial eólico en el lugar. También se podrá realizar una ponderación de los
coeficientes numéricos, cuando la correlación no es tan directa, al comparar mes a
mes, así que los valores obtenidos permitan tener mayor certidumbre en la toma de
decisión de una instalación eólica.
En este método de correlación, deberá tener en cuenta las variaciones de la
dirección del viento, ya que pueden existir factores de correlación para diferentes
direcciones del viento. [5]
2.5.4 Instalación de Pequeños Equipos Eólicos
Otra manera utilizada para evaluar el recurso eólico en un lugar, se realiza mediante
la instalación de un pequeño equipo eólico y la medición de su funcionamiento sobre
una base regular de tiempo. Este método, permite relacionar la característica del
equipo con el régimen de vientos. Sin embargo, este método confía producir
resultados adecuados, cuando el equipo eólico es accionado por el viento dentro de
los rangos de operación prescritos por el fabricante. En cierta medida, este método
permite adquirir confianza sobre la generación eléctrica, ya que se obtiene un
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 44
resultado dual (medición de vientos y generación de energía) para la evaluación del
recurso en un lugar seleccionado. Claro está, que la selección del lugar donde debe
estar instalado el equipo eólico se basa en el conocimiento empírico del régimen de
vientos de los habitantes del lugar, ó de la característica de la vegetación alrededor
del lugar. [5]
2.5.5 Adquisición de Datos en Tiempo Real
Este método de evaluación es el más confiable y al mismo tiempo costoso para
análisis del recurso. La oferta de equipos de adquisición de datos es cada vez mayor,
y fundamentalmente consiste de una pequeña computadora que almacena la
información permanentemente, dependiendo de la necesidad del usuario, de manera
que se pueden registrar promedios meteorológicos desde el rango de segundos
hasta horas en las variables correspondientes.
Entre más precisa, (promedio en tiempo menor y registros de memoria extendida)
hacen que el equipo sea más costoso. La mayoría de los equipos de adquisición de
datos comerciales vienen provistos con almacenamiento de memoria removible e
intercambiable, con capacidad de acumular información hasta por seis meses
continuos de registro. Algunos equipos, por otro lado, permiten extraer la información
a través de telefonía celular desde cierta distancia hasta el lugar donde se está
realizando la evaluación del recurso. Como tal, los resultados de una evaluación con
esta metodología garantizan un preciso y adecuado dimensionamiento de equipos
eólicos para suministro de energía.
En una primera instancia y al recurrir a cualquier método de medición del recurso
eólico, se recomienda utilizar registradores que permitan conocer la velocidad
promedio del viento en períodos de una hora, a lo largo de por lo menos un año de
medición. Esta información permitirá conocer variaciones diurnas, velocidades
máximas, variaciones estacionales y la velocidad promedio anual del viento, sobre la
base de datos horarios.
Otra forma de conocer el potencial del recurso eólico, es por medio de mapas de
recursos globales o regionales. [5]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 45
2.6 Tipos de Aerogeneradores
2.6.1 Según el Eje del Rotor
2.6.1.1 Eje vertical
Sus principales ventajas son que no necesita un sistema de orientación al ser
omnidireccional y que el generador, multiplicador, etc., son instalados a ras de suelo,
lo que facilita su mantenimiento y disminuyen sus costos de montaje. Sus
desventajas frente a otro tipo de aerogeneradores son sus menores eficiencias, la
necesidad de sistemas exteriores de arranque en algunos modelos, y que el
desmontaje del rotor por tareas de mantenimiento hace necesaria que toda la
maquinaria del aerogenerador sea desmontada.
2.6.1.2 Eje horizontal
En la actualidad la gran mayoría de los aerogeneradores que se construyen
conectados a red son tripalas de eje horizontal. Los aerogeneradores horizontales
tienen una mayor eficiencia energética y alcanzan mayores velocidades de rotación
por lo que necesitan caja de engranajes con menor relación de multiplicación de giro,
además debido a la construcción elevada sobre torre aprovechan en mayor medida
el aumento de la velocidad del viento con la altura.
Los modelos de eje horizontal puede subdividirse a su vez por el número de palas
empleado, por la orientación respecto a la dirección dominante del viento y por el tipo
de torre utilizada, como son:
Tripala
Es el más empleado en la actualidad, consta de 3 palas colocadas formando 120º
entre sí. Un mayor número de palas aumenta el peso y costo del aerogenerador, por
lo que no se emplean diseños de mayor número de palas para fines generadores de
energía de forma comercial, aunque sí para fines mecánicos como bombeo de agua,
entre otros.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 46
Figura 2. 12 Aerogenerador Tipo Tripala.
Torres Tubulares
Consisten en grandes tubos de acero de forma tubular o cónica que ofrecen en su
interior espacio para los equipos de suelo y para el acceso a resguardo hacia la
góndola. Necesitan de una instalación más laboriosa y cara, pero ofrecen una mayor
resistencia y menos mantenimiento necesario que las torres de celosía. Son las más
empleadas en equipos de generación de energía.
Figura 2. 13 Aerogenerador Tipo Torre Tubular.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 47
2.6.2 Según Potencia Suministrada
2.6.2.1 Equipos de Baja Potencia
Históricamente son los asociados a utilización mecánica como bombeo del agua,
proporcionan potencias alrededor del rango de 50 kW, aunque pueden utilizarse
varios equipos adyacentes para aumentar la potencia total suministrada. Hoy en día
siguen utilizándose como fuente de energía para sistemas mecánicos o como
suministro de energía en equipos aislados.
También se utilizan en grupo y junto con sistemas de respaldo como motores de
gasolina para suministro de energía de zonas rurales o edificios, ya sea
conectándose a red o con baterías para almacenar la energía producida y garantizar
la continuidad de la cobertura energética.
2.6.2.2 Equipos de Media Potencia
Son los que se encuentran en el rango de producción de energía de 150 kW. Son
utilizados de forma similar a los equipos de baja potencia pero para mayores
requerimientos energéticos. No suelen estar conectados a baterías de
almacenamiento, por lo que se utilizan conectados a red o junto con sistemas de
respaldo.
2.6.2.3 Equipos de Alta Potencia
Son los utilizados para producción de energía de forma comercial, aparecen
conectados a red y en grupos conformando centrales eoloeléctricas, ya sea en tierra
como en entorno marino (offshore). Su producción llega hasta el orden del Gigawatt.
El diseño elegido mayoritariamente para estos equipos son los aerogeneradores de
eje horizontal tripalas, orientados a barlovento y con torre tubular. [4]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 48
2.7 La Energía en el Viento: Densidad del Aire y Área de Barrido del Rotor
Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en
un par (fuerza de giro) actuando sobre la palas del rotor. La cantidad de energía
transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área del barrido
del rotor y de la velocidad del viento.
Figura 2. 14 Área del Barrido del Rotor.
2.7.1 Densidad del Aire
La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso).
Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su
masa por unidad de volumen.
En otra palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina. A
presión atmosférica normal el aire pesa unos 1.225 kilogramos por metro cúbico,
aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad. Además,
el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A grandes altitudes
(en las montañas) la presión del aire es baja y el aire es menos denso.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 49
2.7.2 Área de Barrido del Rotor
Un aerogenerador típico de 1MW tiene un diámetro de rotor de 54 metros, lo que
supone un área del rotor de unos 2.3 m2. El área del rotor determina cuanta energía
del viento es capaz de capturar una energía eólica. Dado que el área del rotor
aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más
grande recibirá cuatro veces más energía.
2.8 Partes Básicas de un Sistema Eólico Pequeño para Generación de
Electricidad
Estos sistemas por lo general están compuestos por un rotor, un generador o
alternador montado en una estructura, una cola (usualmente), una torre, el cableado,
y los componentes del “sistema de balance”: controladores, inversores y las baterías.
A través del giro de los alabes la turbina convierte la energía cinética del viento en un
movimiento rotatorio que acciona el generador.
Figura 2. 15 Partes Básicas.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 50
Figura 2. 16 Componentes Básicos de un Sistema de Generación Eólico
2.8.1 Turbina Eólica
Las turbinas eólicas son dispositivos que convierten la energía cinética del viento en
energía rotacional mecánica y luego en energía eléctrica. La conversión de energía
cinética del viento a energía rotacional se logra mediante un mecanismo de
sustentación aerodinámica. [10]
En la actualidad, las micro-turbinas eólicas son la tecnología de generación
más económica respecto a otras fuentes de Energías Renovables no
Convencionales [13]. Además, la mayoría de las turbinas fabricadas son de eje
horizontal y son de las llamadas “corriente viento arriba” y cuentan con dos o tres
alabes, los cuales por lo regular están fabricados con materiales compuestos, tales
como fibra de vidrio y son también las que tienen mayor penetración en el mercado,
lo que implica una estandarización relativa de precios y calidad.
La cantidad de electricidad que una turbina puede generar, está determinada en una
primera instancia, por el diámetro del rotor. Este parámetro define su “área de
barrido” o la cantidad de viento que es interceptado por la turbina. La coraza de la
turbina es la estructura en la cual el rotor, el generador y la cola se encuentran
montados. La cola ayuda a mantener a la turbina siempre de frente (perpendicular) al
viento.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 51
Las micro-turbinas eólicas están definidas como todos los dispositivos cuya potencia
nominal es inferior a 100 kW. Para aplicaciones residenciales suelen estar entre los
400 W y hasta los 100 kW para conjuntos de varias viviendas. [13]
2.8.2 Alternador
Los alternadores son máquinas eléctricas que tienen la capacidad de transformar
una determinada energía mecánica en energía eléctrica, brindando una corriente
alterna por medio de inducción electromagnética.
El alternador se basa en el principio de que en un conductor expuesto a un campo
magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida, cuya polaridad depende
del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.
En el mercado de generadores eléctricos, podemos encontrar los siguientes tipos de
alternadores:
Alternadores Síncronos
Estas máquinas se usan para la producción de corriente alterna a 125 V, 220 V, o
más y su potencia va de 2 kW hacia arriba. Se trata de generadores lentos, pesados,
muy sólidos y que requieren poco mantenimiento. En su eje lleva acoplado una
dinamo, la corriente de la cual se utiliza por activar la bobina inductora del alternador.
Alternadores Asíncronos
Los motores trifásicos de inducción se pueden utilizar como generadores, por
acoplamiento de un grupo trifásico de condensadores. Las principales ventajas de
este generador son que no tienen escobillas y que son muy robustos, por lo tanto
casi no tiene averías. Su simplicidad en funcionamiento y el bajo costo que dan, lo
hacen ideal en las instalaciones de cierta importancia, por cargar baterías de 110 o
220 V. El motor trifásico se comporta como un generador gracias al grupo trifásico
de condensadores acoplado a él. De esta forma, al girar el motor, el magnetismo
permanente, con la ayuda de los condensadores, dan lugar al proceso de
autoexitación, parecido a como pasa en las dinamos.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 52
Estos alternadores se pueden conectar de dos formes distintas: en estrella y en
delta.
Figura 2. 17 Conexión Estrella – Delta.
Alternadores Lentos
A partir de un motor trifásico de rotor bobinado se puede construir un alternador
autoexcitado lento, cambiando el bobinado del rotor sin cambiar el bobinado del
estator. El nuevo bobinado ha de formar tanto polos como los que tenía el motor
anteriormente.El bobinado se construye de forma que vaya todo en serie, y el
consumo de excitación sea pequeño. De esta forma conseguiremos un alternador
de auto excitación lento.
Alternadores de Imanes Permanentes
Tal y como indica su nombre, son alternadores que en su rotor tienen imanes
permanentes, por lo tanto, son generadores sin escobillas ni bobinas inductoras, por
esto, prácticamente no tienen averías. No se les puede regular el campo magnético
creado por los imanes por lo que tienen unas intensidades de salida limitadas, de la
cual no se puede sobrepasar, excepto que se le acoplen condensadores. [11]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 53
2.8.3 Torre y Cola
Debido a que a mayores alturas el viento es más intenso, la turbina es montada en
una torre, por lo general a mayor altura se produce una mayor cantidad de energía.
La torre también evita las turbulencias de aire que podrían existir cerca del piso,
debidas a obstrucciones como colinas, algunas construcciones y árboles. Por regla
general se recomienda instalar la turbina en una torre, en la cual la parte inferior del
rotor esté a una altura de 30 pies (9 metros) de cualquier obstáculo que se encuentre
a una distancia de 300 pies (90 metros) de la torre. Inversiones relativamente
menores en una torre más alta pueden resultar en tasas más altas de generación de
energía. Por ejemplo, la diferencia de instalar una turbina a 100 pies (30.4 m), en vez
de 60 pies (18.2 m) puede incrementar la inversión en un 10% pero la generación de
energía se puede incrementar hasta en un 25%.
Básicamente existen dos tipos de torre: las autoportantes (soporte libre) y las
retenidas, siendo estas las de mayor uso para aplicaciones residenciales. Estas
torres son las más baratas y pueden consistir de secciones estructurales o tubulares,
dependiendo del diseño y los soportes para los cables de retenida. Sin embargo, el
radio para sostener las retenidas debe ser la mitad o tres cuartos de la altura de la
torre, por lo que se requiere tener suficiente espacio para fijarlas. Las torres abatibles
son más caras pero le permiten al consumidor poder llevar a cabo, en forma más
fácil, el mantenimiento en turbinas pequeñas, de bajo peso, usualmente de 5 kW o
menos.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 54
Figura 2. 18 Torre Abatible.
Asimismo, las torres pueden ser retraídas durante condiciones climatológicas
adversas, tales como huracanes. Las torres de aluminio están propensas a la
fractura, por lo que deben evitarse. La mayoría de los fabricantes ofrecen paquetes
completos, los cuales incluyen la torre.
El montaje de las turbinas sobre los techados no es recomendable, debido a que
todas las turbinas vibran y transmiten ésta a la estructura donde están montadas.
Esto puede ser causa de ruido y problemas estructurales con la construcción y
además los techados pueden causar excesiva turbulencia acortando la vida útil de la
turbina. [6]
La cola es el sistema de orientación que ejerce el papel de sistema primario de
protección ante velocidades elevadas de viento. Cuando las velocidades se acercan
a valores demasiado elevados para el buen funcionamiento de la máquina, este
sistema produce la progresiva desorientación del aerogenerador que lo lleva a dejar
de funcionar.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 55
2.8.4 Balance del Sistema
Los componentes que requerirá adicionalmente de la turbina y la torre serán aquellos
denominados para el “balance del sistema”, los cuales dependerán de su aplicación.
La mayoría de los fabricantes pueden proporcionar un paquete que incluya todas las
partes que necesita para su instalación. Por ejemplo, los componentes requeridos
para bombeo de agua son muy diferentes a los que usted requiere para aplicaciones
domésticas. Los componentes también dependerán si el sistema estará conectado a
la red o será aislado, o si será un sistema híbrido. Para un sistema residencial
conectado a la red, los componentes de balance del sistema incluirán un controlador,
baterías de almacenamiento, una unidad rectificadora de señal (inversor) y el
cableado. Algunos controladores, inversores y otros componentes eléctricos pueden
estar reconocidos por alguna agencia de certificación tal como los “Underwriters
Laboratories” y por lo tanto debe contar con la etiqueta correspondiente. [6]
2.8.5 Banco de Baterías
2.8.5.1 Características Básicas
Dentro de los sistemas de almacenamiento de energía, destacan los bancos de
baterías por su extendida aplicación y sus relativos bajos costos. Permiten obtener
una mayor potencia que la que se obtendría solo con los generadores, lo que puede
ser necesario, por ejemplo, en el arranque de motores. Del mismo modo, las baterías
ayudan a tener un nivel de voltaje estable en las redes de corriente continua de los
sistemas de generación.
Mas del 90% del mercado actual de baterías corresponde a las baterías de plomo-
acido que son las que se adaptan mejor en sistemas híbridos aislados por sus
características y costos. Las baterías más adecuadas para sistemas híbridos son las
estacionarias, que permiten tener ciclos profundos de carga y descarga (de hasta un
80%), y que no son recomendables para ciclos de carga o descarga rápidos. [15]
La generación eléctrica en las baterías se produce en celdas electroquímicas, a
través de reacciones químicas de oxidación – reducción, donde el intercambio de
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 56
electrones de la reacción se efectúa, en forma de corriente eléctrica, con un circuito
externo formado por electrodos que hacen de bornes de conexión con el exterior y
permiten utilizar la electricidad generada. Entre estos bornes se establece
típicamente un voltaje cercano de 2, 6, 12 o 24 volts de corriente directa y se utilizan
estas celdas de reacción química conectadas en serie para dar origen a las baterías
típicas de 12, 24 o 48 volts de corriente continua nominales.
Un banco de baterías corresponde a varias baterías idénticas conectadas en serie-
paralelo. El número de baterías en serie necesarias se determina dividiendo la
tensión de la red de corriente continua del sistema por la tensión nominal de la
batería individual. Para aumentar la capacidad del banco de baterías se pueden
colocar grupos de estas baterías ya conectadas en serie, en paralelo. [13]
2.8.5.2 Parámetros del Banco de Baterías
Los parámetros más relevantes de las baterías para su uso en sistemas de
generación son:
Capacidad Nominal (CN): Electricidad que puede obtenerse mediante la descarga
total de una batería inicialmente cargada al máximo. Se mide en A*h para un
determinado tiempo de descarga.
Voltaje: Tensión en bornes de la batería que varia durante los procesos de carga y
descarga.
Resistencia Interna (Rb): Resistencia de sus componentes (terminales, electrodos,
soportes y electrolito) mas una resistencia virtual variable en función del estado de
carga y de las distintas polarizaciones y concentraciones de iones.
Profundidad de Descarga (Depth of Discharge, DOD): Valor porcentual de energía
que se ha extraído de la batería medida con respecto a la situación de carga plena.
La profundidad de descarga máxima (DODmax) es el valor porcentual máximo de
energía que se puede extraer sin dañar la batería.
Capacidad Útil (Cutil): Son los A・h que puede suministrar realmente la batería. Se
define como:
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 57
Estado de Carga (State of Charge, SOC): Valor porcentual de energía que tiene
acumulada en un momento dado la batería. Las baterías no pueden ser descargadas
completamente, por lo que existe un SOCmin recomendado que suele ser del orden
del 30-40%.
Eficiencia Global (nrt): Razón entre la energía que suministra la batería en el
proceso de descarga y la energía que absorbe en el proceso de carga. Es el
producto de la eficiencia del proceso de carga por la eficiencia del proceso de
descarga. Suele estar comprendido entre el 60 y el 85%.
Costo de Operación: Si bien no existe un costo explícitamente asociado a la
operación del banco de baterías ya que este se encuentra listo para producir energía
en cualquier momento, se deben considerar dos costos marginales en su utilización.
El primero es el costo de desgaste de las baterías que es el costo por kW/h de ciclar
la energía a través del banco de baterías.
El segundo es el costo de la energía de las baterías, es decir, el costo promedio de la
energía almacenada en el banco de baterías. Este costo se obtiene dividiendo el
costo total (en un año) de cargar el banco de baterías, por la energía total (en dicho
año) puesta en el banco de baterías. Si el banco de baterías es solamente cargado
por electricidad excedente, entonces el costo asociado con cargarlo es siempre cero.
En cambio, si un generador produjo electricidad extra con el propósito explícito de
cargar el banco de baterías, entonces el costo asociado con cargar el banco de
baterías no es cero.
2.8.5.3 Batería de Plomo Acido
Estas baterías están formadas por un depósito de ácido sulfúrico y dentro de él un
conjunto de placas de plomo, paralelas entre sí y dispuestas alternadamente en
cuanto a su polaridad, positiva (+) y negativa (-). Para evitar la combadura de las
placas positivas, se dispone una placa negativa adicional, de forma que siempre
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 58
haya una placa negativa exterior. Generalmente, en su fabricación, las placas
positivas están recubiertas o impregnadas de dióxido de plomo (PbO2), y las
negativas están formadas por plomo esponjoso. Este estado inicial corresponde a la
batería cargada, así que el electrolito agregado inicialmente debe corresponder a la
batería con carga completa (densidad 1,280 g/ml). Según el número de placas,
la corriente (intensidad) suministrada será mayor o menor. Debajo de las placas se
deja un espacio para que se depositen eventuales desprendimientos de los
materiales que forman las placas. Para que no haya contacto eléctrico directo entre
placas positivas y negativas, se disponen separadores aislantes que deben ser
resistentes al ácido y permitir la libre circulación del electrolito.
El acumulador de plomo está constituido por dos tipos de electrodos de plomo que,
cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo
(PbSO4 II) incrustado en una matriz de plomo metálico (Pb). El electrolito es una
disolución de ácido sulfúrico tal que su densidad es de 1,280 +/– 0,010 g/ml con
carga plena y que bajará a 1,100 g/ml cuando la batería esté descargada.
Principio de Funcionamiento
Durante el proceso de carga inicial, el sulfato de plomo (II) es reducido a plomo metal
en las placas negativas, mientras que en las positivas se forma óxido de plomo (IV)
(PbO2). Por lo tanto se trata de un proceso de dismutación. No se libera hidrógeno,
ya que la reducción de los protones a hidrógeno elemental está cinéticamente
impedida en una superficie de plomo, característica favorable que se refuerza
incorporando a los electrodos pequeñas cantidades de plata. El desprendimiento de
hidrógeno provocaría la lenta degradación del electrodo, ayudando a que se
desmoronasen mecánicamente partes del mismo, alteraciones irreversibles que
acortan la duración del acumulador. Sólo si se supera la tensión de carga
recomendada se libera hidrógeno, se consume el agua del electrolito y se acorta la
vida de las placas, con el consiguiente peligro de explosión por la combustibilidad del
hidrógeno.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 59
Durante la descarga se invierten los procesos de la carga. El óxido de plomo (IV) es
reducido a sulfato de plomo (II) mientras que el plomo elemental es oxidado para dar
igualmente sulfato de plomo (II). Los electrones intercambiados se aprovechan en
forma de corriente eléctrica por un circuito externo. Los procesos elementales que
trascurren son los siguientes:
PbO2 + 2H2SO4 + 2e- → 2H2O + PbSO4 + SO42-
Pb + SO42- → PbSO4 + 2e-
En la descarga baja la concentración del ácido sulfúrico porque se crea sulfato de
plomo y aumenta la cantidad de agua liberada en la reacción. Como el ácido sulfúrico
concentrado tiene una densidad superior al ácido sulfúrico diluido, la densidad del
ácido puede servir de indicador para el estado de carga del dispositivo.
No obstante, este proceso no se puede repetir indefinidamente porque, cuando el
sulfato de plomo forma cristales muy grandes, ya no responden bien a los procesos
indicados, con lo que se pierde la característica esencial de la reversibilidad. Se dice
entonces que el acumulador se ha sulfatado y es necesario sustituirlo por otro nuevo.
Los cristales grandes también se forman si se deja caer por debajo de 1,8 V la
tensión de cada celda.
Muchos de los acumuladores de este tipo que se venden actualmente utilizan un
electrolito en pasta, que no se evapora y hace mucho más segura y cómoda su
utilización.
2.8.5.4 Vida Útil de las Baterías
La curva de vida útil muestra el número de ciclos de carga y descarga que la batería
puede resistir antes de fallar, en función de la profundidad de los ciclos de carga y
descarga. En la Figura 2.19 se muestra la curva típica de vida útil de una batería de
plomo-acido de ciclo profundo, observándose que el número de ciclos para fallar
(puntos grises) cae rápidamente con el aumento de la profundidad de descarga. Para
cada punto de la curva, se puede calcular la Transferencia durante la Vida Útil
(kW/h), que es la cantidad de energía que se ciclara a través de la batería antes de
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 60
que falle, como el producto del número de ciclos, la profundidad de descarga, el
voltaje nominal y la capacidad de la batería.
La curva de Transferencia durante la Vida Útil (puntos negros) muestra una mínima
dependencia con la profundidad de los ciclos, por lo que el modelo que utiliza el
programa de simulación HOMER simplifica dicha tasa como independiente de la
profundidad de descarga. El valor constante que se utiliza, es el promedio de los
valores de la curva de Transferencia durante la Vida Útil que están bajo la máxima
profundidad de descarga permitida. El supuesto anterior permite estimar la vida del
banco de baterías simplemente monitoreando la cantidad de energía ciclándose a
través de ellas, sin tener en consideración la profundidad de los ciclos de carga y
descarga. La vida útil del banco de baterías en años entonces será: [20]
(
)
Donde Nbat - es el número de baterías del banco, Qlifetime es la transferencia de
energía durante la vida útil de una sola batería, Qthrpt es la transferencia anual (la
cantidad total de energía que se cicla a través del banco de baterías en un año), y
Rbat f , la vida útil máxima por defecto de las baterías. [13]
Figura 2. 19 Curva de vida Útil de una batería de ciclo Profundo
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 61
2.8.6 Inversor DC-AC
Existen distintos tipos de inversores, entre ellos los monofásicos (semi-puente,
puente y pushpull) y trifásicos (puente).
Inversor Tipo Push Pull
En la figura siguiente se describe este circuito y las formas de onda de las variables
más representativas:
Figura 2. 20 Inversor Push Pull.
La fuente de c.c está representada por una batería de tensión Vs. El polo positivo
está permanentemente conectado a la toma media de un transformador que se
considera ideal (intensidad magnetizante nula, resistencia de los devanados nula,
inductancia de dispersión nula). El polo negativo de la batería, que se toma de
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 62
referencia de tensiones para el circuito asociado al primario, se conecta
alternativamente a los extremos A y B del primario mediante los interruptores IN1 e
IN2.
Los interruptores están sometidos a una tensión 2Vs cuando están en abierto. Los
circuitos reales con transistores o tiristores someten por tanto a estos dispositivos a
picos de tensión todavía mayores a 2Vs debido a las inevitables oscilaciones que
tienen lugar en las conmutaciones. Por dicha razón esta configuración no es
adecuada para trabajar con tensiones de alimentación altas. El transformador de
toma media tiene un grado de utilización bajo en el primario y empeora bastante el
rendimiento en los circuitos prácticos, por lo que no es aconsejable emplear esta
configuración para potencias superiores a 10KVA. La tensión resultante en la salida
es una onda cuadrada de amplitud Vs independiente de la intensidad para cualquier
tipo de carga, cuya frecuencia está determinada por la velocidad de cierre y apertura
de los interruptores, y en los circuitos prácticos por la frecuencia de los impulsos de
excitación de los semiconductores. La intensidad de batería en este circuito es
perfectamente continua e igual a Vs/R.
El control se puede realizar en onda cuadrada, control de fase y control de
modulación por ancho de pulso sinusoidal (bipolar y unipolar). Las ondas (desde
cuadrada a sinusoidal escalonada) se obtienen controlando el tiempo de conducción
de los transistores del puente. En el caso de inversores de onda sinusoidal la tensión
obtenida se pasa por filtros LC para dejar únicamente el primer armónico. Dentro de
las principales características de los inversores se destacan los siguientes:
Potencia Nominal y Transitoria: La potencia nominal en VA, es la potencia
que el inversor es capaz de suministrar indefinidamente. Se debe considerar
también que en situaciones puntuales, como el arranque de motores, el
inversor debe ser capaz de suministrar transitorios de corta duración, en un
rango de hasta un 400% de su potencia nominal, dependiendo de la duración
de los mismos.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 63
Eficiencia: Esta se supone constante en el modelo que utiliza el programa de
simulación HOMER, lo cual es una aproximación, ya que en realidad para
potencias menores al 5% de la nominal la eficiencia cae abruptamente. Los
inversores de control PWM sinusoidal tienen una eficiencia del orden del 90%
para el 70% de la potencia nominal de salida.
Estabilidad del Voltaje: El voltaje de salida del inversor debe ser lo más
estable posible, independientemente de la carga y del voltaje de entrada. Los
inversores de control PWM sinusoidal tienen variaciones de voltaje de salida
del orden del 5%, y los de onda cuadrada del orden del 10%.
Tipo de Onda: Los inversores de onda cuadrada tienen una elevada
distorsión armónica y son válidos solo para cargas resistivas. Los inversores
de onda sinusoidal modificada (escalones simulando una sinusoide) pueden
alimentar algunos electrodomésticos, sin embargo, para cargas típicas
domiciliarias se prefieren los inversores de onda sinusoidal pura, como el
propuesto en el presente trabajo.
Sincronización: El inversor debe ser capaz de funcionar en paralelo con un
generador diésel sincronizándose con dicho generador. Estos inversores
deben ser capaces también de generar cuando no funciona el generador
diésel.
Costos de Operación y Mantenimiento: Los costos de mantenimiento y
operación, de los inversores, en general, son despreciables frente a las demás
componentes del sistema y, en general, van incluidos en los costos de otros
dispositivos. [13]
2.8.7 Sistemas Aislados
Estos sistemas que no están conectados a la red de suministro, requieren el uso de
baterías para almacenar la energía excedente generada, y usarla cuando no exista
viento. Asimismo, requieren un controlador de carga para proteger a las baterías de
una sobrecarga. Las baterías de ciclo profundo, como las usadas en los carros de
golf, tienen la capacidad de descargarse y recargarse cientos de veces hasta en un
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 64
80% de su capacidad, lo cual las hace una buena opción para sistemas de energía
renovable remotos. Las baterías automotrices no son de ciclo-profundo por lo que
debe evitarse su uso en sistemas de energía renovable, debido al desgaste que
sufren en el uso en ciclos profundos de carga y descarga que acortan su vida útil.
Figura 2. 21 Sistema Aislado.
Las pequeñas turbinas eólicas generan energía eléctrica en corriente directa. En
sistemas muy pequeños, las aplicaciones en corriente directa obtienen su energía
directamente de la batería. Si se desea hacer uso de aplicaciones normales en
corriente alterna, se debe instalar un inversor para rectificar la corriente directa de las
baterías a corriente alterna. Aunque este dispositivo disminuye ligeramente la
eficiencia global del sistema, permite que la instalación eléctrica del hogar sea
diseñada para sistemas de corriente alterna, lo cual es una mejor opción para las
instituciones de crédito, las normas oficiales eléctricas, y los futuros compradores de
casas.
Por seguridad, las baterías deben ser instaladas en forma aislada de las áreas de
convivencia y de equipos electrónicos debido a que contienen sustancias corrosivas
o explosivas. Asimismo, las baterías de plomo-ácido requieren ser protegidas de
temperaturas extremas. [6]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 65
2.8.8 Sistemas Conectados a la Red
En este tipo de sistemas, el único equipo adicional requerido es el inversor, que hace
la electricidad generada por la turbina compatible con la de la red. Por lo general, no
se requiere el uso de baterías. [6]
2.8.9 Energía Generada por una Turbina
La mayoría de fabricantes en los Estados Unidos clasifican a sus equipos de acuerdo
a la potencia que en forma segura operan a cierta velocidad de viento, usualmente
entre 10.5 m/s y 16 m/s. La siguiente fórmula ilustra los factores de importancia en el
funcionamiento de una turbina eólica. Note que la velocidad del viento tiene un
exponente a la tercera potencia. Esto significa que aun con un pequeño incremento
de la velocidad del viento, la potencia disponible se incrementa en una forma
proporcionalmente mayor. Esta es una de las razones por las cuales al incrementar
la altura en la torre, se tiene acceso a mayores velocidades de viento como se
muestra en la gráfica de incremento de velocidad con la altura. La fórmula para
evaluar la potencia de una turbina eólica es la siguiente:
Potencia = k Cp0.5 ρ A V3
Donde:
P = Potencia obtenida, kilowatts
Cp= Coeficiente de máxima potencia, en el rango de 0.25 a 0.45 adimensional,
(Teóricamente el máximo es 0.59)
ρ = Densidad del aire, lb/pie3
A = Área de barrido del rotor, pie2 ó π x D2/4 (donde D es el diámetro del rotor)
V = Velocidad del viento, m.p.h.
K = 0.000133 una constante para transformar las unidades a kilowatts (multiplicando
el resultado obtenido por 1.340 se obtiene un resultado en Caballos de potencia
(H.P.) por lo tanto 1kW = 1.340 H.P.) [6]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 66
Figura 2. 22 Tamaño Relativo de Pequeñas Turbinas Eólicas.
2.9 Software HOMER
El software HOMER es un modelo computacional desarrollado por el NREL (National
Renewable Energy Laboratory) para asistir en el diseño de sistemas de micro-
generación y facilitar la comparación de tecnologías de generación. El programa de
computadora HOMER modela el comportamiento físico y económico de estos
sistemas, permitiendo comparar muchas opciones de diseño distintas, del mismo
modo que permite cuantificar los efectos en la incertidumbre en algunas variables de
entrada, como los recursos naturales intermitentes, la demanda, o el precio del
combustible, entre otras.
El programa de computadora HOMER se basa en la simulación de todas las
combinaciones posibles de componentes del sistema que se está diseñando. A pesar
de lo anterior, su tiempo de ejecución no es impracticable ya que su funcionamiento
permite al usuario ir acotando el problema, lo que, si bien no asegura llegar a un
óptimo global, si transforma el software en una herramienta poderosa, en el sentido
que permite realizar análisis críticos y comparativos sobre los distintos sistemas
simulados. Más aun, con la liberación o aplicación de distintas restricciones o rangos
de variables de decisión se tiene una clara noción de los efectos de los mismos
sobre el comportamiento final del sistema que se está diseñando.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 67
En el programa de computadora HOMER el trabajo del usuario concluye en la
búsqueda de la información de entrada al sistema, teniéndose, por tanto, una suerte
de caja negra sobre la cual no se tiene mayor control y que entrega resultados por lo
demás escuetos y de poca significación para el diseñador.
Al utilizar el programa de computadora HOMER se tiene menores libertades en las
variables de entrada, esto permite una mejor aplicación del análisis comparativo de
resultados por parte del usuario.
El programa de computadora HOMER puede modelar sistemas aislados con una
combinación de paneles fotovoltaicos, aerogeneradores, generadores a biomasa,
generadores hidroeléctricos, generadores diésel, celdas de combustible,
electrolizadores y baterías. El software desarrolla tres tipos de tareas: simulación,
optimización y análisis de sensibilidad. En el proceso de simulación se modela el
comportamiento de una configuración de componentes en particular, bajo una
estrategia de operación específica para cada hora del año determinando su
factibilidad técnica y su Costo Presente Neto (CPN). En el proceso de optimización,
en cambio, se simulan distintas configuraciones de sistemas en búsqueda de aquella
que cumpla las restricciones técnicas a mínimo CPN, que es la métrica de
comparación. Finalmente, en el proceso de análisis de sensibilidad, se desarrollan
múltiples optimizaciones bajo un rango de variación en los parámetros de entrada
para ver el efecto de la incertidumbre de dichos parámetros sobre la solución final. La
optimización determina el valor de las variables sobre las que el diseñador tiene
control, como el tipo de componentes del sistema o el tamaño de las mismas,
mientras que el análisis de sensibilidad permite enfrentar los cambios en las
variables sobre las que no se tiene control, tales como la velocidad del viento o el
precio de los combustibles, viendo cuan sensibles son las salidas a dichos cambios.
Para limitar la complejidad de las variables de entrada, y permitir una computación
rápida que haga los análisis prácticos, la lógica del programa de computacion
HOMER es menos detallada que muchos otros modelos de simulación tales como el
programa de computadora HYBRID2, pero mas detallada que modelos estadísticos
que no desarrollan simulaciones temporales como el programa de computadora
RETScreen.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 68
En HOMER, las simulaciones tienen un paso temporal de 1 hora por lo que, dentro
de esa hora, el software simplifica la operación como si todas las variables se
mantuvieran constantes, incluso las intermitentes. Este paso de tiempo es
suficientemente pequeño para reflejar los aspectos estadísticos más importantes de
variación de demanda y recursos naturales, pero no tan pequeño como para volver
demasiado lento el proceso de cálculo. Lo anterior implica que HOMER no modela
efectos dinámicos o transitorios en el sistema eléctrico, ya que estos requerirían de
pasos de tiempo menores.
HOMER supone que la simulación para el primer año es representativa de todos los
años del horizonte de evaluación, es decir, no considera cambios a través del tiempo
tales como el crecimiento de la demanda, los cuales pueden ser introducidos como
análisis de sensibilidad. [9]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 69
CAPÍTULO TRES
3.1 Software a Emplear
Para llevar a cabo la investigación pertinente de la viabilidad de la posible
implementación de aerogeneradores en el Estado de Yucatán, es necesario utilizar
un software que nos permita realizar dichos estudios, se tiene la posibilidad de
emplear alguno de los programas de modelación que se enlistan a continuación:
1. Costo de la herramienta de hoja de cálculo de Energía Renovable
(CREST)
2. Energía-10
3. Coste de energía Tecnología y Performance Data
4. Sistema de Información Geográfica
5. Green Network Power
6. HOMER ® Modelo
7. Hybrid2
8. Hidrógeno Sistema de despliegue (Hyds)
9. Power Technologies Energy Data Book (Cuarta Edición)
10. Reflejo
11. RET Finanzas
12. Energía Sistema Regional de Implementación (cañas)
13. Renovables Caracterizaciones de Tecnología Energética (1997)
14. SERA (Escenario de Evaluación, Regionalización y Análisis)
15. Energy System Stochastic Deployment (SEDS)
El software a emplear será HOMER, ya que HOMER es un modelo de optimización
para sistemas de potencia distribuida, simplifica la tarea de evaluación de diseños
tanto de sistemas de energía fuera de la red como conectadas a la red para una
variedad de aplicaciones. Además HOMER hace más fácil el evaluar muchas de las
posibles configuraciones de un sistema. [3]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 70
3.2 Lugar a Evaluar Potencial Eólico
En la figura 3.1 se muestra el lugar a evaluar ubicado en la costa norte de la
península de Yucatán, cuyas coordenadas geográficas son 21° 09’ 52.99” latitud
norte y 90° 02’ 48.00” longitud oeste, ubicado cerca del poblado de Sisal, Yucatán.
Figura 3. 1 Ubicación con Potencial Eólico. [7]
Mediciones de Viento
Se llevó a cabo la estimación de la velocidad promedio del viento. [7]
Tabla 3. 1 Registro de Velocidades del Viento Anual.
Mes Velocidad media (m/s)
Enero 8.08
Febrero 8.25
Marzo 9.07
Abril 9.09
Mayo 8.29
Junio 7.31
Julio 7.08
Agosto 6.35
Septiembre 6.25
Octubre 8.08
Noviembre 7.47
Diciembre 7.33
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 71
Figura 3. 2 Velocidad Anual Promedio a 20 y 40 metros.
3.3 HOMER [9]
3.3.1 Inserción de Datos
Al emplear el programa, se toman como datos los valores anteriores.
Antes de proceder a la captura de datos, se tiene que elegir en la parte superior
izquierda de la ventana del programa el sistema que se desea simular, como se
observa en la Figura 3.3.
Figura 3. 3 Pestaña de Selección de los Elementos del Sistema.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 72
En la figura 3.4 se observa qué elementos forman parte del sistema, en la siguiente
lista se encuentran los elementos a considerar para realizar la simulación del sistema
a desarrollar:
Carga primaria (Primary Load 1)
Aerogenerador (Wind Turbine 1)
Convertidor (Converter)
Batería (Battery)
No conectado a la red de generación eléctrica (CFE) (Do not model grid)
Figura 3. 4 Selección de los Elementos del Sistema.
En la figura 3.5 se representan los datos de velocidades mencionados en la tabla 3.1,
al cual se accede a través del icono recurso eólico (wind resource) localizado en el
lado izquierdo inferior en donde se deberá introducir la velocidad promedio mensual,
altitud (msnm) de la zona a evaluar y la altura del anemómetro utilizado en la
medición de las velocidades promedio. Los demás datos son proporcionados por el
programa.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 73
Figura 3. 5 Inserción de Velocidades Promedio Mensuales.
Otro dato importante que se debe proporcionar es la carga que se desea alimentar,
para ello es necesario introducir los kW por hora desde las 0:00 – 1:00 hasta 23:00 –
0:00 y por cada mes del año.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 74
Tabla 3. 2 Datos de la Carga en kW/h.
Tiempo (h) Datos de Cargas Mensuales en kW/h.
Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
1 2 2.1 2.3 2.3 2.1 3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.1
2 2.1 2.2 2.3 2.3 2.3 4.5 2.2 2.3 2.3 2.2 2.3 2.3
3 2.2 2.1 2.3 2.3 2.2 2.3 2.2 2.2 2.3 2.1 2.2 2.2
4 2.2 2.3 2.3 2.3 2.4 2.5 2.4 2.3 2.3 2.3 2.2 2.2
5 2.1 2.3 3 2.9 3.2 2.3 2.4 4.1 3.4 3.9 3.5 2.1
6 2.3 2.3 3.5 3.4 3.2 3.9 4 4.3 4.5 4.3 3.4 2.3
7 2.4 2.4 3.5 3.5 2.6 4.1 3.9 4.6 4.3 4.8 3.8 2.4
8 2.3 3.4 4.6 4.5 4.2 4.8 4.5 5 4.9 4.9 3.7 2.3
9 2.5 3.4 4.5 4.5 4.3 5.2 4.8 5.3 5.2 5.2 4.3 2.5
10 2.5 3.3 4.2 4.1 4.3 4.9 4.5 4.2 4.6 4.8 3.2 2.5
11 2.6 3.2 4.3 4.3 3.4 4.9 4.6 4.3 4 4.3 3.5 2.6
12 2.8 3.5 4.2 4.2 4.2 5.1 5.2 4.2 4.6 4.8 4.2 2.7
13 2.9 3.5 4.6 4.5 4.5 6.7 5.7 4.6 4.7 4.8 3.6 2.9
14 4 4 4.3 4.2 5.1 6.5 5.8 5.6 5.3 5.3 4.5 3.5
15 4 4 4.3 4.1 5.3 6.5 6 4.3 4.8 5.1 4.1 3.8
16 3.9 3.9 4 3.5 5.6 6.4 5.3 4 4.2 4.8 3.7 3.7
17 3 3 4.5 4.2 4.2 6.3 5.3 5.1 3.9 4.5 3.8 3
18 5 5 4.9 4.5 4.5 6.1 5.2 5.6 4.9 4.6 3.8 5
19 5 5 4.8 4.5 4.6 6.3 6.1 5.4 4.2 4.2 4.2 5
20 5 5 5 4.9 4.2 6.4 5.9 5 4.2 4.2 4.1 5
21 2.1 2.3 3.4 3.7 4 5.9 5.9 4.9 4.8 4 4.3 3.9
22 2.1 2.3 3.5 3.5 3.9 6 5.4 4.1 4.2 3.8 4.2 3.5
23 2.3 2.3 3.4 3.4 3.8 6.2 5.3 4.2 3.9 3.9 4.5 3.1
24 2.1 2.3 3.2 3.2 4 6.3 5.4 4.9 3.8 3.1 4.2 3.1
Promedio 2.89 3.12 3.78 3.7 3.83 5.12 4.59 4.28 4.06 4.09 3.65 3.07
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 75
Figura 3. 6 Carga Anual.
3.3.2 Elección de la Turbina
De acuerdo a la carga promedio de 3.86 kW y un pico de 11.3 kW se elige un
aerogenerador que pueda satisfacer la carga promedio y el pico generado.
Por lo tanto se considera el empleo del aerogenerador de la marca Bergey
Windpower modelo BWC Excel-R de capacidad 7.5 kW (mayor información en anexo
2). Para el primer caso a evaluar se considera una sola unidad de generación.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 76
Figura 3. 7 Selección del Aerogenerador.
3.3.3 Características del Convertidor
Se elige un convertidor de 6 kW Xantrex Modelo XW6048-120/240-60 con un costo
de $3960 US, y un costo de mantenimiento aproximado de $200 US (mayor
información en anexo 3).
Figura 3. 8 Selección del Convertidor.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 77
3.3.4 Características de la Batería
En la figura 3.9 y 3.10 se observa la selección y las características de la batería.
Figura 3. 9 Selección de la Batería.
Se selecciona una batería modelo S460, serie 4000, marca ROLLS (Para mayor
información consultar el Anexo 4).
Figura 3. 10 Características de la batería S460.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 78
En la Figura 3.11 se aprecian las limitaciones que poseerá nuestro sistema para que
pueda ser factible, cuando un sistema no es viable simplemente no aparecerán los
resultados de sensibilidad y optimización.
Figura 3. 11 Limitaciones o Restricciones del Sistema.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 79
CAPÍTULO 4
ANALISIS Y RESULTADOS
4.1 Resultados Para un Generador de 7.5 kW
En la figura 4.1 se aprecia el sistema a simular, en la cual se observa que cuenta con
2 buses uno de CD y otro de CA. En el bus de CD de 48V se encuentra conectada la
salida de 1 aerogenerador BWC Exel-R, la entrada y salida del banco de baterías (8
baterías de 6V de CD conectadas en serie) y la entrada del inversor. En el bus de CA
de 127 V se encuentra conectada la salida del inversor y la carga a alimentar.
Eventualmente, si es posible, entregarla a la red de CFE.
Figura 4. 1 Resultados del Sistema con un Aerogenerador.
4.1.1 Resultados Eléctricos
En la figura 4.2 se observa que el sistema cuenta con una producción anual de
28,993 kW/h, de la cual 20,704 kW/h se necesitan para abastecer el sistema, el
excedente (5,512kW/h) se puede utilizar para alimentar otra carga, o bien se
almacena en baterías para ser utilizada posteriormente cuando la incidencia de
viento sea menor.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 80
Figura 4. 2 Resultados Eléctricos.
4.1.2 Comportamiento del Aerogenerador
En los resultados obtenidos de HOMER para el aerogenerador se puede observar
que la potencia máxima que puede otorgar el aerogenerador es de 8.09 kW, con una
producción de 3.31 kW promedio, y una producción total anual de 28,993 kW/h.
Operando 8,376 horas anuales.
Figura 4. 3 Operación del Aerogenerador.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 81
4.1.3 Comportamiento de la Batería
El banco de Baterías esta compuesto de 8 baterías de 6 V conectadas en serie con
la finalidad de contar con un voltaje en sus terminales de 48 V de CD. Como se
muestra en la Figura 4.4, tiene la capacidad de satisfacer una carga nominal de 22.1
kW/h, cuya capacidad nominal utilizable es de 13.2 kW/h con un rendimiento de vida
útil de 11,152 kW/h. Con una energía en la entrada de 2,439 kW/h/año, en la salida
de 1,962 kW/hr/año y 463 kW/hr/año de perdidas. Teniendo una vida esperada de
5.08 años.
Figura 4. 4 Operación de la Batería.
4.1.4 Comportamiento del Convertidor
Se cuenta con un convertidor de 6 kW y una potencia media en la salida de 2.36 kW,
con un total de 8,408 horas de operación al año, en el cual recibe en su entrada
23,005 kW anuales otorgando en la salida 20,704 kW anuales, los cuales son
consumidos por la carga, teniendo una perdida de energía de 2,300 kW por año.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 82
Figura 4. 5 Operación del Convertidor.
4.2 Resultados con Dos Aerogeneradores de 7.5 kW
4.2.1 Segundo Caso a Evaluar
En la figura 4.6 se aprecia el sistema a simular, en la cual se observa que cuenta con
2 buses uno de CD y otro de CA. En el bus de CD de 48V se encuentra conectada la
salida 2 aerogeneradores BWC Exel-R, la entrada y salida del banco de baterías (8
baterías de 6V de CD conectadas en serie) y la entrada del inversor. En el bus de CA
de 127 V se encuentra conectada la salida del inversor y la carga a alimentar.
Figura 4. 6 Simulación con 2 Aerogeneradores de 7.5kW.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 83
4.2.2 Resultados Eléctricos
Como se muestra en la Figura 4.7 se cuenta con una producción total anual de
57,996 kW/h de la cual se consume 23,932 kW/h quedando un exceso de energía de
31,215 kW/h, que pueden ser empleados para alimentar otra carga ó intercambiar
energía con la red de CFE si esto es posible.
Además se muestra que en los meses de Marzo y Abril es cuando se tiene una
mayor producción de energía eoloeléctrica.
Figura 4. 7 Resultados Eléctricos.
4.2.3 Comportamiento del Aerogenerador
En la figura 4.8 se puede observar que la potencia máxima que puede otorgar el par
de aerogeneradores es de 15 kW, con una producción de 6.6 kW promedio, y una
producción total anual de 57,986 kW/h/yr. Operando 8,376 horas anuales.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 84
Figura 4. 8 Operación del Aerogenerador.
4.2.4 Comportamiento de la Batería
Como se muestra en la figura 4.9 se tiene la capacidad de satisfacer una carga
nominal de 22.1 kW/h, cuya capacidad nominal utilizable es de 13.2 kW/h con un
rendimiento de vida útil de 11,152 kW/h. Con una energía en la entrada de 3,203
kW/hr/año, en la salida de 2,570 kW/hr/año y 625 kW/hr/año de perdidas. Teniendo
una vida esperada de 3.88 años.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 85
Figura 4. 9 Operación de la Batería.
4.2.5 Comportamiento del Convertidor
Se cuenta con un convertidor de 6 kW y una potencia media en la salida de 2.92 kW
con un total de 8,454 horas de operación al año, en el cual recibe en su entrada
28,425 kW anuales otorgando en la salida 25,582 kW anuales los cuales son
consumidos por la carga, por lo cual se tiene una perdida de energía de 2,842 kW
por año.
Figura 4. 10 Operación del Convertidor.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 86
4.3 Estudio Técnico Económico
4.3.1 Tarifa DAC
Tarifa Doméstica de Alto Consumo.
La tarifa DAC, no se escoge se gana por el consumo de nuestro hogar y se aplica
cuando el consumo bimestral promedio registrado en los últimos 12 meses es
superior de acuerdo a la siguiente tabla:
Tabla 4. 1 Limite para Ingresar a Tarifa DAC.
Tarifa Limite Para Ingresar a
Tarifa de Alto Consumo
1 500 kWh/bimestre
1A 600 kWh/bimestre
1B 800 kWh/bimestre
1C 1,700 kWh/bimestre
1D 2,000 kWh/bimestre
1E 4,000 kWh/bimestre
1F 5,000 kWh/bimestre
En la tarifa DAC:
No aplica ningún tipo de subsidio.
Aplica un incremento exponencial al precio de la electricidad.
Es la tarifa más cara que existe en el sistema tarifario de CFE.
La tarifa que se debería aplicar en este sistema es la 1C, debido a la ubicación que
es en el estado de Yucatán, pero al realizar el consumo bimestral promedio
registrado en los últimos 12 meses se obtiene que es superior a los 1700
kWh/bimestre, por lo tanto se accede a tarifa DAC.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 87
4.3.2 Costo de la Energía Consumida
En el siguiente apartado se muestra el costo de la energía consumida de acuerdo a
la tarifa DAC (Alto consumo).
Tabla 4. 2 Consumo y Costo de la Energía.
Mes Consumo de energía kW Costo $
Enero 1,298 kW $ 5,782.41
Febrero 1,4011 kW $ 6,253.17
Marzo 1,698 kW $ 7,374.07
Abril 1,662 kW $ 7,150.30
Mayo 1,725 kW $ 7,459.23
Junio 2,245 kW $ 9,686.32
Julio 2,061 kW $ 9,046.52
Agosto 1,922 kW $ 8,477.57
Septiembre 1,823 kW $ 7,854.33
Octubre 1,837 kW $ 7,206.09
Noviembre 1,693 kW $ 7,366.99
Diciembre 1,339 kW $ 5,901.31
Anual 20,704 kW $89,558.32
4.3.3 Costo Total del Proyecto
En la tabla siguiente se presenta el costo total del proyecto, de acuerdo a la mano de
obra, costo de material, y el porcentaje por el diseño del proyecto que se pretende
que sea de 7.5%.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 88
Tabla 4. 3 Costo Total del Proyecto.
Concepto USD MX
Equipo de la Instalación $ 38,709.95 $ 464,519.40
Mano de Obra $ 5,806.49 $ 69,677.91
Porcentaje por Diseño $ 2,903.24 $ 34,838.92
Total $ 44,516.44 $ 569,036.23
4.3.4 Análisis de la Rentabilidad del Sistema Eoloelectrico.
El costo total del proyecto es de $ 569,036.23 pesos y el gasto de energía anual es
de $ 89,558.32 pesos el primer año y un aumento anual de 5% ya que se desconoce
el precio de las tarifas de CFE en un futuro, y considerando que la carga eléctrica
aumentara en un futuro debido a las exigencias de la tecnología e incremento de
equipos, se muestra en la siguiente tabla la rentabilidad del proyecto.
Tabla 4. 4 Rentabilidad del Sistema.
Año Precio de energía anual ($)
1 $ 89,558.32
2 $ 98,514.15
3 $ 103,439.85
4 $ 108,611.85
5 $ 114,042.44
6 $ 119,744.56
$633,911.17
Como se puede observar en la tabla anterior el proyecto resulta viable, ya que para
recuperar la inversión del mismo tomara 6 años, cabe mencionar que la vida útil de
los equipos es de 20 años excepto las baterías ya que esta depende de los ciclos de
carga y descarga, con un mantenimiento casi nulo, lo cual indica que se tienen 14
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 89
años para seguir utilizando el sistema generando una ganancia notable, y esta
aumenta aún más debido a la energía eléctrica genera excedente ya que se puede
vender a la empresa suministradora.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 90
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES
Con las simulaciones anteriores resulta viable la implementación de aerogeneradores
para la generación de energía eoloeléctrica en la Península de Yucatán. Ya que se
tomaron en cuenta parámetros para conocer si es factible o no la instalación de
aerogeneradores, para el área geográfica seleccionada, pero en otras regiones
donde el potencial del viento no es suficiente o es muy pobre, no se puede hacer uso
de este medio de generación, o en su caso se puede recurrir a sistemas de
generación híbridos (eólica, solar, celadas de combustible, etc.).
En la parte eléctrica se observó, que el sistema de dos aerogeneradores cuenta con
más capacidad de generación de energía eléctrica, lo cual ocasiona que se obtengan
excedentes de energía, 7,257 kW/h para una unidad y 31,215 kW/h con dos
unidades, por lo tanto, dependiendo de la necesidad del cliente resulta viable solo
tener un Aerogenerador. Los dos aerogeneradores permiten que cuando una falla
ocurra en la primer unidad que impida su funcionamiento por un tiempo prolongado,
entre en operación la otra unidad, o bien, si se solicita alimentar otra carga futura.
El banco de baterías presenta un buen comportamiento con un aerogenerador, pero
en el caso de dos aerogeneradores en los meses de Enero a Abril, opera gran parte
del tiempo al 100% por lo cual se tendrá que agregar al sistema más baterías para
aumentar su capacidad de almacenamiento.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 91
CAPÍTULO 6
TRABAJOS A FUTURO
El presente estudio muestra las bases para determinar el potencial eólico en una
zona determinada. Por lo que, posteriormente se puede evaluar el potencial eólico
que se tiene en México, para su aprovechamiento futuro.
En la figura 6.1 se observan las posibles configuraciones para la interconexión de los
sistemas de generación eólica con la red (SEP).
Figura 6. 1 Aerogeneradores en Diferentes Niveles de Tensión.
En la Figura 6.2, se aprecia la implementación de todas las energías renovables
posibles a utilizar en una residencia, y la optimización de las mismas para tener
generaciones amigables con el medio ambiente y así poder aprovechar al máximo
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 92
las mismas. Resultando para zonas con poco potencial eólico, utilizar en conjunto
otros sistemas de generación renovable, con la finalidad de abastecer una carga
determinada.
Figura 6. 2 Implementación de Energías Renovables en Residencia. [8]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 93
ANEXO 1
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 94
VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO CON LA ALTURA
La superficie terrestre ejerce una fuerza de rozamiento que se opone al movimiento
del aire y cuyo efecto es retardar el flujo, por ende disminuir la velocidad del viento.
Este efecto retardatorio de la velocidad de viento decrece en la medida que se
incrementa la altura sobre la superficie del terreno y de obstáculos en su recorrido.
Así pues, a mayor altura sobre la superficie mayor velocidad de viento se podrá
experimentar.
Un modelo sencillo para calcular el incremento en la velocidad con respecto a la
altura, es la distribución de velocidades en función de la altura y esta sigue una ley
exponencial, como sigue:
(
)
Siendo:
Velocidad del viento a la altura
Velocidad del viento a la altura
El coeficiente “a” es un parámetro que depende de la topografía del terreno y de las
condiciones meteorológicas. Generalmente este parámetro se calcula sobre la base
de mediciones de viento.
En caso de no existir información medida del perfil de velocidades, para una buena
aproximación en terreno plano, libre de obstáculos se puede utilizar el parámetro a
equivalente a 0.14 (1/7).
Dado que la medición meteorológica se realiza a 10 metros de altura, la siguiente
tabla, de rápida referencia, ilustra los valores de velocidad de viento promedio que se
pueden esperar para mayores alturas sobre el terreno, basado en este modelo
sencillo de perfil de velocidades. [5]
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 95
Tabla A1. Valores de Velocidad.
Valores esperados de velocidad de viento a diferentes alturas
Velocidad de Viento
Promedio medida en (m/s) a 10 m.
Velocidad de viento esperada en (m/s)
20 metros 30 metros 40 metros
3 3.3 3.5 3.7
4 4.4 4.7 4.9
5 5.5 5.8 6.1
6 6.6 7.0 7.3
7 7.7 8,2 8.5
8 8.8 9.4 9.8
9 9.9 10.5 11.0
10 11.0 11.7 12.2
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 96
ANEXO 2
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 97
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 98
ANEXO 3
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 99
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 100
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 101
ANEXO 4
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 102
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 103
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 104
REFERENCIAS
[1] “Secretaria de energía decreto por el que se aprueba el programa especial para el
aprovechamiento de energías renovables 2009 – 2012”.Diario oficial jueves 6 de agosto de 2009;
México.
[2] Oscar Fco. Herrera Lorenzo, Gilberto Enríquez Harper, Carlos A. Gallardo Morales; “Impacto de
Aerogeneradores sobre las Pérdidas y el Control de Voltaje en las Redes de Distribución” Centro de
Convenciones De Acapulco 10 al 16 de Julio del 2011.
[3] Marco Antonio Borja Díaz, Raúl Gonzales Galarza, Fortino Mejía Neri, Jorge Maximiliano Huacuz
Villamar, María Consolación Medrano Vaca, Ricardo Saldaña Flores. “Estado del Arte y tendencias de
la tecnología eoloeléctrica” Primera Edición 1998, Universidad Nacional Autónoma de México,
Programa Universitario de Energía. Páginas 114 – 121.
[4]http://www.opex-energy.com; Empresa del Grupo DEENMA, OPEXenergy Operación y
Mantenimiento S.L. Madrid.
[5] Álvaro Pinilla S.; “Manual de Aplicación de la Energía Eólica”; CopyRight INEA Julio de 1997.
[6] Sistemas Eólicos Pequeños para Generación de Electricidad, Departamento de Energía, EEUU
[7] Ricardo Saldaña Flores, Ubaldo Miranda Miranda, Rubén Cariño Garay; Gerencia de Energías No
Convencionales. IIE, Morelos, México, “Estudio del Potencial Eoloenergético en un Sitio de Interés
Ubicado en la Zona Costera Norte de la Península de Yucatán”.
[8] http://www.nrel.gov, NERL is a national laboratory of the U.S. Departament of Energy, 11/9/2012
[9] Felix A. Farret, M. Godoy Simoes; “Integration of Alternative Sources of Energy”; Published by John
Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey Published simultaneously in Canada, 2006; Pág. 379 – 416.
[11] http://www.webscolar.com/los-tipos-de-generadores, 2010 - 2012 Webscolar
[10] H. J. Wagner y J. Mathur, Introduction to Wind Energy Systems - Basics, Technology and
Operation, Primera Edición ed. Londres, Reino Unido: Springer, 2009.
[12] Laboratorio de Energía Renovable, "Sistemas Eólicos Pequeños para Generación de
Electricidad", Departamento de Energía de los Estados Unidos, Washington D.C., 2007.
Estudio de Flujo Eólico para Producción de Energía Eoloeléctrica.
Instituto Politécnico Nacional Página 105
[13] Barría Oyarzún Fabián Alfredo, “Proyecto de Electrificación Rural Basado en Energías
Renovables en el Parque Natural Karukinka, Tierra del Fuego”, Santiago de Chile, Marzo 2011.