ESTUDIO DEL POTENCIAL ENERGÉTICO RENOVABLE PARA EL CONEJO, VERACRUZ

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA TEMA: ESTUDIO DEL POTENCIAL ENERGÉTICO RENOVABLE PARA EL CONEJO, VERACRUZ TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: PEDRO BANDALA JIMÉNEZ DIRECTOR DE TESIS: DR. JORGE ARTURO DEL ÁNGEL RAMOS XALAPA, VER. 2010

2 DEDICATORIA A mis papás, Maurilio y Anatolia, por brindarme su amor y su apoyo en todo el transcurso de mi vida. A enseñarme a luchar por mis sueños y a tratar de ser mejor cada día. Gracias a ustedes cumplí una meta muy importante para mi vida. Gracias papás por creer en mí. apoyo. A mis hermanos Ana Paola, Rogelio y Miguel por su cariño, sus ánimos y por todo su A mi cosita Itzel por haber estado conmigo en mi vida universitaria. Por brindarme su amor, su cariño, su paciencia, su apoyo, por acompañarme en mis momentos difíciles y alegres. Te amo. Gracias Ing. Víctor, Ing. Elizabeth e Ing. Yamid por todos sus consejos, por darme la oportunidad de crecer tanto en lo personal como en lo laboral. Gracias por todos sus apoyos y sobre todo por sus amistades. También a mis abuelitos, a todos mis tíos, tías, primos, sobrinos, a toda mi familia y amigos por darme su apoyo y sus consejos. Al Ing. Cuevas por apoyarme, por sus consejos y por su amistad. Gracias Dr. Del Ángel por asesorarme, guiarme, por tenerme paciencia y transmitirme un poco de sus conocimientos para la elaboración de mi Tesis. Al Lic. Vítor Celis por su apoyo en la elaboración de algunos aspectos de esta tesis. A todos los maestros que a lo largo de toda mi formación académica (desde el kínder hasta la universidad) me han orientado y guiado. Gracias por compartir y transmitirme un poco de sus vivencias y conocimientos. A todas las personas que me han brindado su apoyo y por lo que me han enseñado durante mi estancia universitaria. A mis amigos Adrian, Oscar, Abraham y Beto por su amistad, por compartir anécdotas agradables y tristes. Por todo lo que hemos vivido juntos.

3 BIBLIOGRAFÍA Y SITIOS WEB CONSULTADOS Atlas Solar de la República Mexicana Everardo Hernández H., Adalberto Tejeda Martínez y Susana Reyes T. Universidad de Colima y Universidad Veracruzana Textos Universitarios 1988, México Atlas Climático del Estado de Veracruz Adalberto Tejeda Martínez, Federico Acevedo y Ernesto Jáuregui Universidad Veracruzana Textos Universitarios 1988, México Guía del Instalador de Energías Renovables. Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización Tomás Perales Benito Editorial Limusa, S.A. de C.V. Grupo Noriega Editores 2007, México Energía Solar. Fundamentos y Aplicaciones Fototérmicas José A. Manrique Editorial Harla 1984, México D.F. Manual de Energía Eólica. Investigación, Diseño, Promoción, Construcción y explotación de distintos tipos de instalaciones. J. M. Escudero López Editorial Mundi-Prensa 2003, Madrid España Energía Solar. Selección del Equipo, Instalación y Aprovechamiento Richard H. Montgomery Editorial Limusa, Edición

4 Aspectos Meteorológicos de la Utilización del Viento como una Fuente de Energía Secretaría de la Organización Meteorológica del Mundo, Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica Asociación Americana de Energía Eólica Asociación Europea de Energía Eólica Asociación Latinoamericana de Energía Eólica Secretaría de Energía, México Instituto de Investigaciones Eléctricas, México Energía, Tecnología y Educación Transición Energética Aplicación y Desarrollo de Sistemas de Energía Solar y Eólica en el Estado de Zacatecas Revista Digital Universitaria. Universidad Autónoma de México 114

5 ÍNDICE ÍNDICE DE GRÁFICAS...V ÍNDICE DE MAPAS...VII ÍNDICE DE TABLAS...VIII INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I ANTECEDENTES DE LOS ESTUDIOS DE POTENCIAL....3 Energía Fotovoltaica Introducción..5 Celdas Solares....5 Los Orígenes de las Celdas Solares. 5 Constitución de las Celdas Solares....6 Funcionamiento de las Celdas Solares Paneles Fotovoltaicos...8 Módulos y Conjuntos..9 Otros Usos de Sistemas Fotovoltaicos...11 Energía Fotovoltaica para Viviendas Rurales. 13 Energía Solar Mercado Global..16 Desarrollo Histórico del Mercado Global Fotovoltaico Un año excepcional para el Mercado Fotovoltaico...17 Perfiles de los 13 Principales Mercados Distribución Regional de los Mercados Mundiales Fotovoltaicos...28 Europa: Líder Mundial en el Mercado Fotovoltaico.29 Previsiones de la Energía Solar 31 Energía Fotovoltaica en México..32 Contrato de Interconexión a la Red..34 I

6 Conclusiones...35 Energía Eólica.. 36 Introducción...37 Energía Eólica Ventajas de la Energía Eólica Desventajas de la Energía Eólica El Viento Historia del Uso del Viento Medidores de la Velocidad del Viento...41 Clasificación de los Vientos por su Velocidad 43 Turbinas Eólicas 43 Localización...45 Altura de la Torre 46 Resumen de Aerogeneradores.46 Energía Eólica en la Unión Europea.49 Escenarios Energéticos para el Unión Europea. Combinación de Energías..54 La Situación Actual de la Energía Eólica..55 Objetivos para la Evolución de la Energía Eólica..58 Energía Eólica en Estados Unidos.61 La Energía Eólica en México..62 Regiones Eoloenergéticas..65 Conclusiones...71 CAPÍTULO II DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO Y SOLAR 72 Introducción...73 El Conejo, Ver..73 II

7 Casa U.V. El Conejo Representación Estadística del Viento Análisis para Determinar el Potencial Eólico en la Casa U.V. de El Conejo.77 Irradiación Solar..83 Horas de Pico de Sol (HPS).84 Instrumentos de Medida de la Radiación Solar.86 Análisis para Determinar el Potencial Solar en la Casa U.V. de El Conejo 87 Conclusiones del Potencial Eólico y Solar 88 CAPÍTULO III FACTIBILIDAD DE LOS POTENCIALES EÓLICO Y SOLAR OBTENIDOS..89 Introducción...90 Clasificación de la Potencia del Viento.90 Comparación de Velocidades del Viento en Varias Regiones Eoloenérgéticas de México 91 Factibilidad del Potencial Eólico Determinado en El Conejo, Ver.93 Comparación de los Potenciales Solares en Algunos Lugares del Mundo y en México 93 Factibilidad del Potencial Solar Determinado en El Conejo, Ver 95 Conclusiones...95 CAPÍTULO IV PROBABLES TECNOLOGÍAS PARA SER UTILIZADAS CON LOS POTENCIALES EÓLICO Y SOLAR DE EL CONEJO..97 Introducción...98 Características de los Aerogeneradores.. 98 Posibles Aerogeneradores..99 Conclusiones de Posibles Aerogeneradores 102 Características de los Paneles Fotovoltaicos.103 Curva I-V en Función de la Irradiación.104 Curva I-V en Función de la Temperatura..104 III

8 Posibles Paneles Solares 105 Conclusiones de Paneles Solares.110 CONCLUSIONES 111 BIBLIOGRAFÍA Y SITIOS WEB CONSULTADOS 113 IV

9 ÍNDICE DE GRÁFICAS CAPÍTULO I ANTECEDENTES DE LOS ESTUDIOS DE POTENCIAL 1.1 Energía Fotovoltaica Acumulada (MW). Año MW Generados en el año Energía Fotovoltaica Instalada (Año 2009) Desarrollo Histórico Mundial de la Energía Fotovoltaica Acumulada por Región Desarrollo Histórico del Mercado Mundial Fotovoltaico Anual por Región Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Alemania Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Estados Unidos - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el España - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Japón - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Italia - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Francia - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el China - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Bélgica - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el República Checa - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Portugal - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Grecia - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el India - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Corea del Sur - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Mercado Fotovoltaico Global Anual por Región (Escenario de Política Impulsada) Distribución Regional del Mercado Global y Europeo Fotovoltaico Anual en el Mercado Fotovoltaico Anual Europeo para el Capacidad de la Energía Instalada en la Unión Europea GW ( ) Capacidad de Energía Eólica Global Acumulada ( ) 55 V

10 1.25 Finales del Capacidad eólica Instalada por Año ( ) Comparación de la Producción de la Energía Eólica de Alemania, España y Dinamarca contra el Resto de Europa Escenarios Basados en la Comisión Europea, IEA y la EWEA (GW) Incremento Anual Promedio de la Capacidad de Energía Eólica en la U.E. Comparación entre la Comisión Europea, IEA y la EWEA (GW) Capacidad de Energía Eólica Instalada Anualmente en Estados Unidos Necesidad cubierta por la Energía Eólica CAPÍTULO II DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO Y SOLAR 2.1 Formas de la Función de Probabilidad De Weibull dependiendo del valor k.z5 2.2 Representación Gráfica de la Densidad De Probabilidad de Weibull Densidad de Probabilidad de Weibull Varianza Baja Densidad de Probabilidad de Weibull Varianza Media Densidad de Probabilidad de Weibull Varianza Alta 82 VI

11 ÍNDICE DE MAPAS CAPÍTULO I ANTECEDENTES DE LOS ESTUDIOS DE POTENCIAL 1.1 Radiación Solar por Día en el Territorio Nacional (kw/m 2 ).32 CAPÍTULO III FACTIBILIDAD DE LOS POTENCIALES EÓLICO Y SOLAR OBTENIDOS 3.1 Regiones con Potenciales Eólicos en el Estado de Baja California Norte Estados con Potenciales Eólicos en la República Mexicana Irradiación Solar de la Península Ibérica España Mapa Mundial de Radiación Solar Anual Promedio (kw/m 2 ) 94 VII

12 ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO I ANTECEDENTES DE LOS ESTUDIOS DE POTENCIAL 1.1 Eficiencia Energética por Material de Celdas Fotovoltaicas Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el Clasificación de la Velocidad del Viento por Sir Francis Beaufort Escala de Clases de Viento según su Velocidad Energía Eólica Instalada en Europa a Finales del 2008 (Acumulado) MW Previsiones de la Energía Eólica en Europa Previsiones de la Energía Eólica para Europa. Escenario Bajo y Alto para el año Capacidad de Energía Eólica Instalada en la Unión Europea MW ( ) Escenarios Basados en la Unión Europea, IEA y la EWEA (GW) Emisión de CO 2 Evitadas por Año y Acumuladas al 2010 por Generación Eoloeléctrica Masiva Potencia de la Energía Eólica Acumulada par México Proyectos Eólicos Comprometidos para México Proyectos Eólicos Potenciales para México.71 CAPÍTULO II DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO Y SOLAR 2.1 Rango de k y Descripción Cualitativa del Viento Asociado Velocidad del Viento Presente en la Comunidad de El Conejo, Ver. (Años ) Velocidad Promedio Anual del Viento en la Comunidad de El Conejo, Ver Dirección del Viento Predominante en la Localidad de El Conejo, Ver. (Año ) Valores del Factor k Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver Valores del Factor c - Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver VIII

13 2.7 Valores de la Densidad de Probabilidad P(v) - Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver Valores de la Densidad de Probabilidad P(v) para diferentes Velocidades del Viento - Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver Probabilidad de que se Presenten Vientos Mayores a una Velocidad de Referencia. Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver Conceptos de Radiación, Irradiancia e Irradiación Irradiación Global Anual para la Comunidad de El Conejo, Ver 88 CAPÍTULO III FACTIBILIDAD DE LOS POTENCIALES EÓLICO Y SOLAR OBTENIDOS 3.1 Clasificación de la Potencia del Viento..90 CAPÍTULO IV PROBABLES TECNOLOGÍAS PARA SER UTILIZADAS CON LOS POTENCIALES EÓLICO Y SOLAR DE EL CONEJO 4.1 Parámetros que Definen a los Paneles Fotovoltaicos 103 IX

14 INTRODUCCIÓN En la comunidad de El Conejo, ubicada en el municipio de Perote en el estado de Veracruz, se encuentra una de las Casa de la Universidad Veracruzana que brinda apoyo y asistencia comunitaria, por lo que los servicios con los que cuenta dicha infraestructura deben de estar funcionando en óptimas condiciones. El servicio de energía eléctrica de la Casa U.V. es muy importante pues de él dependen de que funcionen todos los aparatos eléctricos con los que cuenta, pero dadas las condiciones marginales de la comunidad se han presentado los siguientes inconvenientes: El servicio brindado por Comisión Federal de Electricidad falla constantemente y por lapsos de tiempo prolongados. El costo de la energía eléctrica consumida por la Casa U.V. es alto. El desabasto de energía eléctrica que sufre la casa U.V. y su alto costo ha llevado a la necesidad de buscar nuevas tecnologías para generar electricidad que estén a la vanguardia, que no dañen el medio ambiente y que resuelva la problemática presente en la Casa U.V. Por otra parte se han observado algunos indicadores a través de la estación meteorológica presente en la Casa, por ejemplo: la velocidad del viento, que nos dan la posibilidad de creer que probablemente pueda existir energía suficiente para resolver el desabasto eléctrico, por lo que se llega a la siguiente hipótesis: SI SE REALIZA UN ESTUDIO DEL POTENCIAL ENERGÉTICO RENOVABLE EN LA ZONA DONDE SE ENCUENTRA LA CASA DE LA UNIVERSIDAD VERACRUZANA UBICADA EN LA COMUNIDAD DE EL CONEJO, VER. SE PODRÍA TENER UNA HERRAMIENTA PARA DECIDIR SI LOS POTENCIALES SOLAR Y EÓLICO SON SUFICIENTES PARA IMPLEMENTAR TECNOLOGÍAS DE ENERGÍAS RENOVABLES. Las energías alternativas o fuentes renovables de energía se basan en los flujos y ciclos naturales del planeta. Son aquellas que se regeneran y son tan abundantes que perdurarán cientos o miles de años, se usen o no, y si se aprovechan de manera adecuada no destruyen el medio ambiente. La electricidad, calefacción o refrigeración generadas por fuentes de energías renovables, consisten en el aprovechamiento de los recursos naturales como el sol, el viento, los residuos agrícolas u orgánicos. Incrementar la participación de las energías renovables, asegura una generación de electricidad sostenible a largo plazo, reduciendo la emisión de dióxido de carbono. En México, tanto el desarrollo de la energía solar como la energía eólica, han tenido un pequeño impulso en las comunidades rurales, es por ello que EL OBJETIVO PRINCIPAL DE ÉSTA TESIS es: DETERMINAR LA FACTIBILIDAD DE LOS POTENCIALES EÓLICO Y SOLAR PRESENTES EN LA COMUNIDAD DE EL CONEJO DONDE SE ENCUENTRA LA CASA U.V. Imagen Fuente: Secretaría de Energía del Informe Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables (Enero 2020) 1

15 Así mismo, también se tienen LOS OBJETIVOS SECUNDARIOS, los cuales son: En el capítulo I se investigará el desarrollo del potencial eólico y solar instalado en el mundo y en México con la finalidad de mostrar su posible crecimiento en el mediano y largo plazo. Se mostrarán los métodos para determinar los potenciales eólico y solar presente en la localidad de El Conejo donde se encuentra la Casa U.V. en el capítulo II Se comparará en el capítulo III los potenciales solar y eólico obtenidos en el capítulo II con otros buenos potenciales de diferentes lugares, ya sea del mundo o en México, para determinar la factibilidad de los mismos. Finalmente en el capítulo 4 se cubrirá el objetivo de mostrar algunos de los posibles aerogeneradores y paneles solares que hay en el mercado. Imagen Fuente: Secretaría de Energía del Informe Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables (Enero 2010) 2

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18 INTRODUCCIÓN Hoy en día, los sistemas fotovoltaicos, conocidos ampliamente como paneles solares, representan una alternativa para producir energía eléctrica a base de energía solar, es por ello que en este capítulo se tratarán conceptos referentes a las celdas solares, sus orígenes, su funcionamiento y los diferentes usos y aplicaciones de estos sistemas. Por otra parte, los paneles solares se han convertido en dispositivos importantes en la vida cotidiana, por lo que también se tratará el desarrollo histórico del mercado fotovoltaico y los posibles escenarios para su futuro tanto en los principales países productores como en México. CELDAS SOLARES Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) LOS ORÍGENES DE CELDAS SOLARES Aunque las celdas solares eficientes han estado disponibles recién desde mediados de los años 50, la investigación científica del efecto fotovoltaico comenzó en 1839, cuando el científico francés, Henri Becquerel descubrió que una corriente eléctrica podría ser producida haciendo brillar una luz sobre ciertas soluciones químicas. El efecto fue observado primero en un material sólido (el metal selenio) en Este material fue utilizado durante muchos años para los fotómetros, que requerían de cantidades muy pequeñas de energía. Una comprensión más profunda de los principios científicos, fue provista por Albert Einstein en 1905 y Schottky en 1930, la cual fue necesaria antes de que celdas solares eficientes pudieran ser confeccionadas. Una célula solar de silicio que convertía el 6% de la luz solar que incidía sobre ella en electricidad fue desarrollada por Chapin, Pearson y Fuller en 1954, y esta es la clase de célula que fue utilizada en usos especializados tales como satélites orbitales a partir de Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente en la actualidad tienen una eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca del 18%, a una fracción del precio de hace treinta años. En la actualidad existen una gran variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio (amorfas, monocristalinas o policristalinas), del mismo modo que para las celdas solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobre e indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, etc.). 5

19 CONSTITUCIÓN DE LAS CELDAS SOLARES Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas monocristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas. Las planchas monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan de un gran lingote monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente a 1400 C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta. Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se deja asentar. Entonces se rebana en planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más baratas de producir, pero no tan eficientes como las celdas monocristalinas. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultado del proceso de moldeo. En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se pierde como polvo durante el cortado. El silicio amorfo, una de las tecnologías de lámina delgada, es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH 4 ). Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos de bajo costo tales como cristal o plástico. Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las celdas de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cadmio, las celdas de teluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas del arseniuro de galio. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes. En la producción de celdas solares al silicio se le introducen átomos de impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado puede hacerse por difusión a alta temperatura, donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor. Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de algunos dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir durante la deposición de las láminas o de las capas. Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), que enlazan a los átomos adyacentes. Sustituyendo un átomo de silicio por un átomo que tenga 3 o 5 electrones de la valencia producirá un espacio sin un electrón (un agujero) o un electrón extra que pueda moverse más libremente que los otros, ésta es la base del doping. En el doping tipo p, la creación de agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza boro. En el dopaje de tipo n, la creación de electrones adicionales es alcanzada incorporando un átomo con 5 electrones de valencia, generalmente fósforo. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) Una vez que se crea una unión p-n, se hacen los contactos eléctricos al frente y en la parte posterior de la célula evaporando o pintando con metal la plancha. La parte posterior de la plancha se puede cubrir totalmente por el metal, pero el frente de la misma tiene que tener solamente un patrón en forma de rejilla o de líneas finas 6

20 de metal, de otra manera el metal bloquearía al sol del silicio y no habría ninguna respuesta a los fotones de la luz incidente. FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS SOLARES Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza del material y la naturaleza de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas (agujeros) de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por: El tipo y el área del material. La intensidad de la luz del sol. La longitud de onda de la luz del sol. Por ejemplo, las celdas solares de silicio monocristalino actualmente no pueden convertir más que el 25% de la energía solar en electricidad, porque la radiación en la región infrarroja del espectro electromagnético no tiene suficiente energía como para separar las cargas positivas y negativas en el material. Las celdas solares de silicio policristalino tienen una eficiencia menor, sólo convierten hasta el 20% de la energía solar y las celdas amorfas de silicio tienen una eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio monocristalino. Una típica célula fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm 2 producirá cerca de 1.5 watts de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano (150 W/m 2 ). La energía de salida de la célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida también será disminuida a la mitad). Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi 7

21 directamente proporcional a la intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula. Otros tipos de materiales fotovoltaicos que tienen potencial comercial incluyen el Diselenide de Cobre e Indio (CuInSe 2 ), Teluro de Cadmio (CdTe) y Silicio amorfo como materia prima. La capacidad de las celdas solares para convertir la radiación solar en electricidad, depende del material con el que están hechas: Tabla 1.1 Eficiencia Energética por Material de Celdas Fotovoltaicas Fuente: Secretaría de Energía del Informe Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables (Enero 2010) PANELES FOTOVOLTAICOS Puesto que una sola célula fotovoltaica tiene un voltaje de trabajo cercano a 0.5 V, estas generalmente se conectan juntas en serie (positivo con negativo) para proporcionar voltajes más grandes. Los paneles se fabrican en una amplia gama de los tamaños para diversos propósitos que generalmente caen en una de tres categorías básicas: E Paneles de bajo voltaje/baja potencia son confeccionados conectando entre 3 y 12 segmentos pequeños de silicio amorfo fotovoltaico con un área total de algunos centímetros cuadrados para obtener voltajes entre 1.5 y 6 V y potencias de algunos mili watts. Aunque cada uno de estos paneles es muy pequeño, la producción total es grande. Se utilizan principalmente en relojes, calculadoras, cámaras fotográficas y dispositivos para detectar la intensidad de luz, tales como luces que se encienden automáticamente al caer la noche. E Paneles pequeños de 1-10 watts y 3-12 V, con áreas de 100 cm 2 a 1000 cm 2 son hechos ya sea cortando en pedazos celdas mono o policristalinas de 100 cm 2 y ensamblándolas en serie, o usando paneles amorfos de silicio. Los usos principales son en radios, juguetes, bombeadores pequeños, cercas eléctricas y cargadores de baterías. E Los paneles grandes, de 10 a 60 watts, y habitualmente 6 a 12 voltios, con áreas de 1000 cm 2 a 5000 cm 2 son generalmente construidos conectando de 10 a 36 celdas del mismo tamaño en serie. 8

22 Se utilizan individualmente para bombeadores pequeños y energía de casas rodantes (luces y refrigeración) o en conjuntos para proporcionar energía a casas, comunicaciones, bombeadores grandes y fuentes de energía en área remotas. MÓDULOS Y CONJUNTOS Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) Si una aplicación requiere más energía de la que puede ser proporcionado por un solo panel, pueden construirse sistemas más grandes combinando juntos un número de paneles. Sin embargo, se presenta una complicación en los casos que la potencia y voltaje requerido es mayor al nivel y uniformidad que puede ser proporcionado directamente. En estos casos, se utilizan los sistemas fotovoltaicos, compuestos por las siguientes partes: 1. Un conjunto de paneles fotovoltaicos, variando de dos a varios centenares de paneles. 2. Un panel de control, que regula la energía de los paneles. 3. Un sistema del almacenaje de energía, constituido generalmente de un conjunto de baterías especialmente diseñadas. 4. Un inversor, para convertir la Corriente Continua en Corriente Alterna. 5. Un marco y una cubierta para el sistema. 6. En forma opcional se puede contar con fuentes de alimentación de reserva tales como generadores diesel. 7. Otros elementos que pueden llegar a formar parte del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores. Los conjuntos de paneles se están utilizando cada vez más en la construcción de edificios en donde cumplen dos funciones, proporcionar una pared o un techo y abastecer de energía eléctrica al edificio. Eventualmente cuando bajen los precios de celdas solares, la construcción de edificios con celdas solares integradas puede convertirse en una fuente de la energía eléctrica importante. La cantidad de energía diaria entregada por los paneles fotovoltaicos variará dependiendo de la orientación, de la localización, del clima y de la época del año. En promedio, en verano, un panel producirá cerca de cinco veces la energía especificada en watts por horas y por día, y en invierno cerca de dos veces esa cantidad. Por ejemplo, en verano un panel de 50 watts producirá un promedio de de 250 watts/hora, y en invierno cerca de 100 watts/hora. Estos valores son solamente indicativos, y se debe buscar ayuda profesional para obtener cálculos más exactos. 9

23 Los mecanismos de seguimiento se utilizan para mantener los paneles fotovoltaicos directamente frente al sol, de modo de aumentar la potencia de salida de los paneles. Los mecanismos de seguimiento pueden casi duplicar la salida de un conjunto de paneles fotovoltaicos. Se requiere de un análisis cuidadoso para determinar si el incremento en el coste y la complejidad mecánica de un mecanismo de seguimiento es rentable en circunstancias particulares. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) Frecuentemente es necesario almacenar la energía debido a que se requiere aun cuando el sol no está brillando (ya sea durante la noche o en períodos cuando el cielo está nublado) o en cantidades mayores a las que pueden ser provistas directamente del conjunto. Se utilizan generalmente baterías de " ciclo profundo" diseñadas especialmente. A diferencia de las baterías normales, estas pueden descargar cerca de la mitad de la energía almacenada varias miles de veces antes de que deterioren. Cada batería generalmente es de 2 V, y el conjunto total de baterías está formado generalmente por varias baterías conectadas en serie o paralelo para proporcionar el nivel de energía requerido. Las baterías deben ser las adecuadas para satisfacer cada uso particular, dependiendo de la radiación solar diaria total, la carga total, la carga máxima y el número de días de almacenaje requerido. Los inversores transforman la corriente continua de la baja tensión de las baterías (12V, 24V, 32 o 48V) en corriente alterna de alto voltaje (por ejemplo 110V o 220 V). Los inversores son necesarios si se van utilizar electrodomésticos o instrumentos de voltaje normal. En la determinación del costo total del sistema, puede llegar a ser más económico comprar un inversor y electrodomésticos producidos para consumo masivo que utilizar electrodomésticos de corriente continua de baja tensión que pueden ser más costosos. Algunas aplicaciones, tales como luces de alta eficacia actualmente no se encuentran disponibles para bajas tensiones. En este caso, el costo de utilizar más paneles debe ser equilibrado con el costo de un inversor. Fuentes de potencia auxiliar o de reserva son requeridas cuando debe ser garantizada la confiabilidad de la fuente de electricidad, cuando es poco económico proporcionar el almacenaje con baterías para períodos nublados extendidos, o cuando algunas aplicaciones tienen requisitos intermitentes de grandes cantidades de energía que sean poco convenientes de satisfacer con el sistema fotovoltaico. En ocasiones, si es viable la combinación del sol y del viento, se utilizan generadores eólicos conjuntamente con sistemas fotovoltaicos. Pequeños generadores a gasolina o diesel se utilizan a menudo como reserva. Estos sistemas son relativamente baratos de comprar pero su funcionamiento es costoso. 10

24 OTROS USOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS 1. Sistemas de protección Catódicos. La protección catódica es un método de proteger las estructuras de metal contra la corrosión. Es aplicable a puentes, tuberías, edificios, estanques, perforaciones y líneas ferroviarias. Para alcanzar la protección catódica se aplica un pequeño voltaje negativo a la estructura de metal y éste evita que se oxide o aherrumbre. El terminal positivo de la fuente es conectado a un ánodo galvánico o de sacrificio que es generalmente un pedazo del metal de desecho, que es corroído en vez de la estructura que se desea proteger. Las celdas solares fotovoltaicas a menudo se utilizan en lugares remotos para proporcionar este voltaje. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) 2. Cercas Eléctricas. Las cercas eléctricas se utilizan extensamente en agricultura para evitar que el ganado o los depredadores entren o dejen un campo cerrado. Estas cercas tienen generalmente uno o dos alambres "vivos" que se mantienen con cerca de 500 voltios de Corriente Continua. Éstos dan una dolorosa descarga, pero inofensiva a cualquier animal que los toque. Esta descarga generalmente es suficiente para evitar que el ganado derribe las cercas. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) Estas cercas también se utilizan en recintos de la fauna y áreas protegidas. Requieren de un alto voltaje pero muy poca corriente y a menudo están situadas en áreas alejadas donde el costo de energía eléctrica es alto. Estas necesidades se pueden resolver mediante un sistema fotovoltaico compuesto de células solares, un acondicionador de energía y una batería. 3. Sistemas de Iluminación. A menudo se requiere iluminación en lugares remotos donde el costo de emplear energía de la red es demasiado alto. Tales aplicaciones incluyen la iluminación de seguridad, ayudas a la navegación (ej. boyas y faros), señales iluminadas en los caminos, señales en cruces ferroviarios y la iluminación de aldeas. Las células solares pueden satisfacer tales usos, aunque siempre se requerirá de una batería de almacenaje. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) 11

25 Estos sistemas generalmente consisten de un panel fotovoltaico más una batería de almacenaje, un acondicionador de energía y una lámpara fluorescente de C.C. de baja tensión y alta eficiencia. Estos sistemas son muy populares en áreas remotas, especialmente en países en vías de desarrollo y es uno de los usos principales de células solares. 4. Telecomunicaciones y sistemas de monitoreo remotos. Las buenas comunicaciones son esenciales para mejorar la calidad de vida en áreas alejadas. Sin embargo el costo de energía eléctrica de hacer funcionar estos sistemas y el alto costo de mantenimiento de los sistemas convencionales han limitado su uso. Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una solución rentable a este problema con el desarrollo de estaciones repetidoras de telecomunicaciones en área remotas. Estas estaciones típicamente consisten de un receptor, un transmisor y un sistema basado en una fuente de alimentación fotovoltaica. Existen miles de estos sistemas instalados alrededor del mundo y tienen una excelente reputación por su confiabilidad y costos relativamente bajos de operación y mantenimiento. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) Principios similares se aplican a radios y televisiones accionadas por energía solar, los teléfonos de emergencia y los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo remotos se pueden utilizar para recolectar datos del tiempo u otra información sobre el medio ambiente y transmitirla automáticamente vía radio a una central. 5. Bombas de agua accionadas por energía solar. Existen más de 10,000 bombas de agua accionadas por energía solar en el mundo. Son utilizadas extensamente en granjas para proveer el agua al ganado. En países en vías de desarrollo se las utiliza extensivamente para bombear agua de pozos y de ríos a las aldeas para consumo doméstico y la irrigación de cultivos. Un típico sistema de bombeo accionado por energía fotovoltaica consiste en un conjunto de paneles fotovoltaicos que accionan un motor eléctrico, el que impulsa la bomba. El agua se bombea de la tierra o afluente a un tanque de almacenaje que proporciona una alimentación por gravedad. No es necesario un almacenaje de energía en estos sistemas. Los sistemas de bombeo accionados por energía solar se encuentran disponibles en proveedores de equipo agrícola y son una alternativa rentable a los molinos de viento agrícolas para el abastecimiento de agua en áreas alejadas. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) 12

26 6. Electrificación Rural. Las baterías de almacenaje se utilizan en áreas aisladas para proporcionar corriente eléctrica de la baja tensión para iluminación y comunicaciones así como también para vehículos. Un sistema fotovoltaico de carga de baterías consiste en generalmente un pequeño conjunto de paneles solares más un regulador de carga. Estos sistemas se utilizan extensamente en proyectos rurales de electrificación en países en vías de desarrollo. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) 7. Sistemas De Tratamiento De Aguas. En áreas alejadas la energía eléctrica se utiliza a menudo para desinfectar o purificar agua para consumo humano. Las celdas fotovoltaicas se utilizan para alimentar una luz fuerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en agua. Esto se puede combinar con un sistema de bombeo agua accionado con energía solar. La desalinización del agua salobre se puede alcanzar mediante sistemas fotovoltaicos de ósmosis inversa. 8. Otros usos de celdas solares. Se puede utilizar celdas fotovoltaicas en una gran variedad de aplicaciones incluyendo: Productos de consumo tales como relojes, juguetes y calculadoras. Sistemas de energía de emergencia. Refrigeradores para almacenaje de vacunas y sangre en áreas remotas. Sistemas de la aireación para estanques. Fuentes de alimentación para satélites y los vehículos espaciales. Fuentes de alimentación portátiles para camping y pescar. ENERGÍA FOTOVOLTAICA PARA VIVIENDAS RURALES Los paneles fotovoltaicos se instalan normalmente en los tejados, ya que requieren zonas sin sombras y deben estar orientados al sol de mediodía. Imagen Fuente: 13

27 La parte superior de la placa está cubierta con un vidrio transparente que deja pasar la radiación solar y que ayuda a minimizar las pérdidas de calor. El panel está formado por una cantidad determinada de células fotovoltaicas cuyo número dependerá del voltaje requerido. Imagen Fuente: La célula fotovoltaica es el elemento encargado de transformar la energía solar en eléctrica. Cada célula produce entre 0.4 y 0.5 volts (V) aproximadamente y su constitución es la siguiente: Imagen Fuente: La luz solar es absorbida por los conductores provocando una tensión entre ambas capas y la corriente fluye entre el polo negativo y el positivo generando electricidad. Imagen Fuente: 14

28 En la instalación fotovoltaica para un hogar en necesario colocar baterías, estas acumulan la energía durante momentos de baja o nula insolación. Un regulador, para impedir que las baterías reciban energía cuando alcanzan su carga máxima. Un inversor que transforma la corriente continua en alterna para que pueda ser utilizada por los aparatos electrodomésticos de uso cotidiano. En la instalación eléctrica se puede tener una derivación que sólo contenga corriente directa para alimentar aparatos que funcionen con ella, por ejemplo, contar con una red de corriente continua para alumbrado. Imagen Fuente: 15

29 ENERGÍA SOLAR MERCADO GLOBAL Durante gran parte de los años ochenta y de principios de los años noventa el mayor mercado para los paneles solares estaba en las fuentes de alimentación para áreas remotas y algunos productos de consumo (relojes, juguetes y calculadoras). Sin embargo a medidos de los años noventa fue lanzado un importante esfuerzo para desarrollar paneles solares integrados en la construcción de edificios para ser conectados a la red. En el 2008 la energía fotovoltaica acumulada total casi fue de 15 GW comparado contra 9 GW en el España constituyó casi la mitad de las nuevas instalaciones en el 2008 con una nueva capacidad adicional de producción de 2.5 GW. Seguido por Alemania con 1.5 GW de los ya instalados. Estados Unidos fortaleció esta tendencia con 342 MW más al poner en operación nuevos sistemas fotovoltaicos, seguido por Corea del Sur con un aumento de producción de 274 MW para el año Italia incrementó cerca de 260 GW; Japón (230 MW); República Checa (51 MW); Portugal (50 MW); Bélgica (48 MW) y Francia (46). Gráfica 1.1 Energía Fotovoltaica Acumulada (MW). Año Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) Gráfica 1.2 MW Generados en el año 2008 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) Dado el contexto de la crisis actual, los expertos creen que para finales del año 2009 se pude alcanzar una nueva producción de 7 GW. Actualmente el sector fotovoltaico es la esperanza de los mercados de los de Estados Unidos, Alemania, Francia e Italia. Para el 2013, el mercado global Fotovoltaico podría alcanzar los 22 GW con políticas apropiadas, tales como las tarifas con descuentos. Un ejemplo de tarifa con descuentos es la implementada por China para aquellos ciudadanos que incorporen la energía solar a sus gastos energéticos nuevos impuestos de 1.09 y 1.5 yuanes /kwh (algo así como 0.16 y 0.22 dólares estadounidenses). Este país anunció en agosto del 2009 la instalación de paneles solares con una producción de 1.8 GW. La nación africana tiene las tarifas de incentivo más favorables en términos de energía solar, con 0.23 dólares/kwh. 16

30 DESARROLLO HISTÓRICO DEL MERCADO GLOBAL FOTOVOLTAICO El mercado de la Energía Solar Fotovoltaica ha estado en auge en la última década y se prevé que esta tendencia se siga confirmando en los próximos años. A finales del 2008, la capacidad acumulada mundial se aproximó a 15 GW. Hoy en día, Europa está liderando el camino con más de 9 GW que representan más del 65% de la capacidad fotovoltaica instalada mundialmente. Japón (2,1 GW) y los EE.UU. (1.2 GW) están detrás, que representan el 15% y 8% respectivamente, de la potencia fotovoltaica instalada global. Gráfica 1.3 Energía Fotovoltaica Instalada (Año 2009) Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) Gráfica 1.4 Desarrollo Histórico Mundial de la Energía Fotovoltaica Acumulada por Región Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) UN AÑO EXCEPCIONAL PARA EL MERCADO FOTOVOLTAICO El desarrollo progresivo en el 2008 se debe principalmente a la evolución del mercado español, representa más del 45% del mercado fotovoltaico. Además del desarrollo en España, otros países obtuvieron también avances para el Alemania ha instalado alrededor de 1.5 GW, Estados Unidos 342 MW y 230 MW conectados en Japón. Otros desarrollos principales fueron vistos en otros países como Italia (268 MW) y Corea del Sur (274 MW), así como la aparición de nuevos mercados de sistemas fotovoltaicos, como Francia (105 MW instalados, 46 MW de los cuales estaban conectados en 2008), la República Checa (51 MW) y Bélgica (48 MW). 17

31 Gráfica 1.5 Desarrollo Histórico del Mercado Mundial Fotovoltaico Anual por Región Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) 2008 fue un año excepcional, debido al continuo desarrollo de la energía fotovoltaica en los mercados establecidos (como Alemania, los EE.UU. y Japón), un asombroso crecimiento en España y la aparición de nuevos mercados, principalmente en el resto de Europa y en Corea del Sur. La implementación y crecimiento para el mercado fotovoltaico depende del marco político de un país. Los mecanismos de apoyo se definen en las leyes nacionales. La introducción, modificación o el desvanecimiento de los regímenes de ayuda pueden tener profundas consecuencias sobre la industria fotovoltaica, por lo tanto, éste mercado depende de una comprensión profunda del marco político de cada país. La Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA por sus siglas en inglés) pone un gran esfuerzo en el análisis de los mercados fotovoltaicos, así como mostrar escenarios de previsiones a corto y largo plazo. En marzo de 2009, EPIA obtuvo muestras de recopilación de datos muy representativa de la industria fotovoltaica, las asociaciones nacionales y las agencias de energía. En base al cotejo y consolidación de estos datos, ha obtenido dos escenarios para el futuro desarrollo de la industria fotovoltaica. 1. Escenario Moderado. Se basa en la hipótesis de un escenario que no compromete la ejecución de los mecanismos de apoyo existentes. 2. Escenario por política impulsada. Se basa en la hipótesis del seguimiento y la nueva introducción de mecanismos de apoyo en un gran número de países. 18

32 Para el análisis de estos dos escenarios se tomaron en cuenta los siguientes factores: Una base nacional El desarrollo histórico del Mercado Fotovoltaico Las políticas de apoyo existentes Su atractivo y su evolución prevista Los procedimientos administrativos de cada lugar Los objetivos nacionales de energías renovables El potencial de energía solar fotovoltaica. Gráfica 1.6 Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) Para el 2009, EPIA espera que el mercado mundial fotovoltaico crezca alrededor de 6.8 GW bajo el escenario por políticas impulsadas. Mientras que de acuerdo al escenario moderado, EPIA espera que el mercado se estanque alrededor de 4.6 GW. Hasta el 2013, EPIA prevé que éste mercado llegue a 22 GW bajo la orientación de la política impulsada, que significaría un incremento anual compuesto del 32% más para el periodo Para el escenario moderado, el incremento anual compuesto sería del 17% para este mismo periodo, dando una producción más de 12 GW. 19

33 Tabla 1.2 Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) PERFILES DE LOS 13 PRINCIPALES MERCADOS ALEMANIA Debido a que España se ha fijado como meta 500 MW para el año 2009, Alemania espera recuperar su posición de número uno en el mercado fotovoltaico mediante la financiación de Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) para obtener una alta potencia en el desarrollo futuro, buena disponibilidad de trabajadores calificados en compañías fotovoltaicas y buen conocimiento de esta tecnología. Las tasas de reducción en las tarifas se incrementarán en un 1%, si es que el mercado alemán se desarrolla a un tamaño mayor a MW para el Para el 2010 se espera que este aumento tienda a desacelerarse. EPIA estima que el mercado alemán puede llegar a crecer hasta 4 GW en el año 2013 si se mantiene el actual régimen de apoyo y teniendo en cuenta la disminución del precio de los sistemas fotovoltaicos. 20

34 Gráfica 1.7 Alemania - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) ESTADOS UNIDOS EPIA prevé que los EE.UU. se convertirán en uno de los principales mercados fotovoltaicos en todo el mundo para el Con la ampliación del crédito fiscal a la inversión, la continuación de los programas de apoyo a nivel estatal (por ejemplo: el estado de California), la aparición de programas locales de apoyo, el inmenso potencial de territorio de los EE.UU. y el fuerte compromiso por parte de los nuevos presidentes podrían representar un mercado multi GW para el El desempeño del mercado fotovoltaico en este país dependerá principalmente de la posibilidad de financiar proyectos de energía fotovoltaica. Gráfica 1.8 Estados Unidos - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) 21

35 ESPAÑA Tomando en cuenta el inesperado crecimiento del mercado fotovoltaico en el 2008, el gobierno español ha puesto un límite estricto que permite sólo un mercado de 500 MW anuales de 2009 a Teniendo en cuenta las convocatorias trimestrales de los proyectos, el mercado del 2009 será probablemente limitada a 375 MW. Bajo estas condiciones, EPIA espera que el crecimiento del mercado sea poco en los próximos 5 años. Teniendo en cuenta el potencial solar en España y los elevados objetivos nacionales de energía renovable, la orientación política de EPIA prevé un escenario de eliminación de los límites que permitan un mercado de GW para el Gráfica 1.9 España - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) JAPÓN Por varias razones, EPIA espera que Japón se convierta en un mercado de GW en el 2010 para el escenario de políticas impulsadas, mientras que para el escenario moderado esto ocurrirá en el En primer lugar, Japón ha establecido objetivos ambiciosos para alcanzar los 14 GW de potencia fotovoltaica instalada en el 2020 y 53 GW en En segundo lugar, la tecnología fotovoltaica está bien establecida y ampliamente integrada en el entorno del edificio. En tercer lugar, mientras que el desarrollo del mercado fotovoltaico japonés ha estado dominado por sistemas residenciales, es muy prometedor para el futuro los anuncios para construir plantas de fotovoltaicas de varios MW. Por último, pero no menos importante, Japón ha reforzado recientemente sus mecanismos de apoyo existentes a nivel nacional y regional, principalmente con subvenciones a la inversión y un nuevo programa de compra de energía para la red pública, comercial e industrial. 22

36 Gráfica 1.10 Japón - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) ITALIA Además de una radiación solar alta, Italia ofrece un sistema de apoyo muy atractivo, mezclando medición neta y un ajuste de primas a las tarifas de descuentos. En enero de 2009, el gobierno italiano amplío la red de medición para los sistemas fotovoltaicos de hasta 200 kw. Esto significa que le propietario del sistema fotovoltaico puede valorizar la electricidad que se produce a sí mismo en el mismo precio que la electricidad que consume tradicionalmente de la red. Si durante un periodo tiempo, hay un exceso de la electricidad vertida a la red, el propietario de sistemas fotovoltaicos consigue crédito (tiempo ilimitado) por el valor del exceso de electricidad. Esta medida es muy atractiva para el sector residencial, público y comercial. Bajo el régimen actual, válido hasta finales del 2010, EPIA espera que el crecimiento continuo del mercado fotovoltaico italiano llegue a la escala de los GW para el 2011, suponiendo que los procedimientos administrativos se armonizarán a nivel regional y que la red de medición tendrá un fuerte impacto en la demanda de sistemas fotovoltaicos siga siendo consistente con la ya existente. Gráfica 1.11 Italia - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) 23

37 FRANCIA Debido a su favorable BIPV (Building Integrated Photo Voltaic) de primas, el mercado fotovoltaico está dominado hoy por las aplicaciones BIPV para instalaciones residenciales y comerciales. En el 2008, 105 MW fueron instalados, pero sólo 46 MW conectados a la red debido a los largos procedimientos administrativos. EPIA espera que todos los sistemas fotovoltaicos instalados en el 2008 sean conectados a la red en el 2009 y la gran mayoría de la nueva potencia fotovoltaica instalada en el 2009 sea conectada. En el escenario de política impulsada, EPIA espera una simplificación de estos procedimientos en el 2009 y la introducción de una nueva tarifa para las aplicaciones BIPV en los grandes techos comerciales. Bajo este escenario, el mercado fotovoltaico francés se convertirá en un país líder en el despliegue de la energía fotovoltaica en Europa y en todo el mundo. Gráfica 1.12 Francia - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) CHINA Debido a su alto potencial de energías renovables, el desafío de la energía existente y la presencia de actores importantes en el sector fotovoltaico, muchos expertos están esperando a China a iniciar una política de apoyo para los sistemas fotovoltaicos. En el escenario de política impulsada, EPIA prevé a China como uno de los principales mercados fotovoltaicos en el 2013 junto con Europa y los Estados Unidos. 24

38 Gráfica 1.13 China - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) BÉLGICA Los sistemas fotovoltaicos se han convertido en un tema político en todas las regiones de Bélgica y se espera que sigan aumentando en los próximos años, principalmente para los sistemas de la azotea. Debido a una fuerte disminución de apoyo en 2008 por su principal mercado (Flandes), EPIA espera que muchos proyectos que están en espera se realicen en el La creciente importancia de las otras dos regiones (Valonia Y Bruselas) hace EPIA esperar un mercado fotovoltaico belga entre 125 y 175 MW para los próximos 5 años en un escenario de política impulsada. Gráfica 1.14 Bélgica - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) 25

39 REPUBLICA CHECA La República Checa creció muy rápidamente en el 2008, debido a la aplicación de un ajuste bien diseñado. EPIA espera que el mercado checo siga creciendo alrededor de 240 MW para el 2013 bajo el escenario de política impulsada. PORTUGAL Gráfica 1.15 República Checa - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) A pesar de la radiación solar muy alta, los sistemas fotovoltaicos han crecido tímidamente en los últimos años, principalmente en relación a las plantas fotovoltaicas a gran escala. Si Portugal establece un régimen de apoyo adecuado para el uso generalizado de la energía fotovoltaica, EPIA cree que el mercado portugués podría llegar hasta 500 MW para el 2013 con un escenario de política impulsada. Gráfica 1.16 Portugal - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) 26

40 GRECIA Grecia cuenta con una muy buena irradiación en el norte del país. Además, tiene una de las tarifas de descuento más favorables en toda Europa y con más de 3.5 GW de proyectos de energía fotovoltaica, se espera que desempeñe un papel de liderazgo para el desarrollo de ésta energía. Sin embargo, los desarrolladores del proyecto se vieron afectados por la burocracia y los procedimientos administrativos que sólo fueron aceptados pocos en el Si el gobierno griego puede tener las medidas adecuadas para mejorar los procedimientos administrativos, EPIA espera que el mercado fotovoltaico griego pueda alcanzar los 900 MW anuales en el INDIA Gráfica 1.17 Grecia - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) Con su alto potencial para aplicaciones fotovoltaicas descentralizadas (conectados a la red y fuera de la red) y las crecientes necesidades energéticas, la India podría convertirse en un mercado fotovoltaico significativo en los próximos años. Con sólo observar las iniciativas locales o regionales para la energía fotovoltaica, EPIA espera que el mercado indio se desarrolle lentamente. Si se implementa un programa de apoyo adecuado (como un mecanismo de tarifas con descuento) podría representar hasta 600 MW en el Gráfica 1.18 India - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) 27

41 COREA DEL SUR Debido a un cambio favorable en los aranceles, Corea del Sur se colocó en 2008 como el cuarto mercado fotovoltaico más grande en todo el mundo. Sin embargo, desde la revisión de las tarifas con descuentos, en octubre de 2008 y una devaluación inesperada del won (moneda coreana), el mercado fotovoltaico casi se detuvo con menos de 10 MW instalados entre octubre de 2008 y marzo de Por ello, las expectativas para el 2009 son bajos en comparación con su evolución histórica. Conociendo el fuerte compromiso político para la energía fotovoltaica en Corea, EPIA espera que el mercado fotovoltaico crezca en el 2010 con resultados parecidos a los obtenidos en el Si se quita la meta de 500 MW, EPIA prevé un crecimiento adicional de 1 GW en el 2013 bajo el escenario de política impulsada. Gráfica 1.19 Corea del Sur - Mercado Fotovoltaico Anual Hasta el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) DISTRIBUCIÓN REGIONAL DE LOS MERCADOS MUNDIALES FOTOVOLTAICOS Teniendo en cuenta la distribución regional de las perspectivas del mercado global en el marco de un escenario de política impulsada, EPIA prevé el mercado fotovoltaico de la Unión Europea creciendo de 4.5 GW en 2008 a 11 GW en 2013, Estados Unidos de 0.3 GW a 4.5 GW, Japón de 0.23 GW a 1.7 GW y el resto del mundo de 0.5 GW a más de 5 GW en

42 Gráfica 1.20 Mercado Fotovoltaico Global Anual por Región (Escenario de Política Impulsada) Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) EUROPA: LÍDER MUNDIAL EN EL MERCADO FOTOVOLTAICO Desde 2004, Europa ha sido líder en el mercado mundial en aplicaciones fotovoltaicas. En el 2008, Europa representó más del 80% del mercado mundial fotovoltaico. Entre los países europeos, Alemania ha estado a la vanguardia desde hace varios años, pero España ocupó la posición número uno en todo el mundo, con alrededor del 45% del mercado mundial y el 56% del mercado de la Unión Europea. Numerosos países están desarrollando programas de apoyo muy eficaces para los sistemas fotovoltaicos, de los que Italia y Francia se perfilan como los nuevos mercados potenciales. Algunos, como República Checa, Bélgica, Bulgaria, Portugal y Grecia, entre otros, están siguiendo regímenes de ayuda muy prometedores. 29

43 Gráfica 1.21 Distribución Regional del Mercado Global y Europeo Fotovoltaico Anual en el 2008 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) El pronóstico de la política impulsada para Europa, EPIA espera que Alemania siga siendo uno de los principales mercados fotovoltaicos, con participaciones cada vez mayor de Francia e Italia. Si los obstáculos se retiran en España, EPIA espera que estos 4 países representen más del 75% del mercado europeo para el Gráfica 1.22 Mercado Fotovoltaico Anual Europeo para el 2013 Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica EPIA (Septiembre de 2009) 30

44 PREVISIONES DE LA ENERGÍA SOLAR Se prevé que en el año 2030 habrá en todo el planeta una potencia instalada de 1,3 millones de megavatios de energía solar fotovoltaica, lo que permitirá cubrir el 10 por ciento del consumo eléctrico mundial, dando servicio a más de millones de personas. El informe, elaborado en colaboración con la Asociación Europea de Industria Fotovoltaica, destaca el gran crecimiento que ha experimentado en los últimos años este sector, especialmente en países como Alemania y España, situados a la cabeza mundial. Imagen Fuente: Textos Científicos http: (Julio 2007) 31

45 ENERGÍA FOTOVOLTAICA EN MÉXICO Considerando la capacidad energética del Sol, la cual perdurará durante varios millones de años, México destaca en el globo terráqueo por tener un territorio con mayor promedio de radiación solar anual. El territorio nacional cuenta con índices que van de los 4.4 kwh/m 2 por día en la zona centro a los 6.3 kwh/m 2 por día en el norte del país, resulta fundamental la adopción de políticas públicas que fomenten el aprovechamiento sustentable de la energía solar en nuestro país. Mapa 1.1 Radiación Solar por Día en el Territorio Nacional (kw/m 2 ) Fuente: Instituto de Investigaciones Eléctricas IIE ( Las actividades en nuestro país relacionadas con la tecnología fotovoltaica (FV) se iniciaron a mediados de los setentas. En la década siguiente, el Centro de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (IPN) construyó una planta piloto para fabricar módulos fotovoltaicos de silicio cristalino, con una capacidad de producción de 15 kw por año. El principal mercado de la tecnología fotovoltaica en nuestro país es el de los sistemas autónomos, utilizados principalmente para la electrificación de comunidades rurales apartadas y se estima que en el país han sido instalados cerca de 100 mil sistemas fotovoltaicos para este fin. Otra aplicación importante que se le ha dado es en la energización de estaciones de retransmisoras de telecomunicaciones, telesecundarias y clínicas rurales. En 1997 se realizaron las primeras aplicaciones fotovoltaicas conectadas a red, por parte del Área de Energías No Convencionales del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Posteriormente se llevaron a cabo proyectos piloto en las ciudades de Mexicali (Baja California) y Hermosillo (Sonora). En 2001, el Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) de la Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación (SAGARPA), inició un programa al término del cual se instalaron más de 2 mil bombas fotovoltaicas para el apoyo de productores agropecuarios. Por su parte, Petróleos Mexicanos (PEMEX) ha utilizado ampliamente los sistemas fotovoltaicos para proporcionar energía eléctrica en los sistemas de monitoreo y control de plataformas no habitadas. En el año 2005, el Área de Energías No Convencionales del IIE apoyó al gobierno de Baja California, en la especificación de los sistemas FV con una potencia de 1 kwp, en 220 casas habitación, instalados en la ciudad de Mexicali. 32

46 En el país operan plantas maquiladoras donde se ensamblan módulos fotovoltaicos de diferentes tecnologías, destinados al mercado de exportación. Una planta ensambladora de módulos FV que tendrá una capacidad de fabricación de 15 MW/año, inició operaciones a finales de 2007, en el estado de Veracruz. Además, en junio de 2008 se anunció la construcción de un complejo industrial en la ciudad de Mexicali, donde se producirán módulos FV de película delgada y la de una planta FV de 70 MW, para satisfacer parcialmente los requerimientos de energía eléctrica de la ciudad. La potencia fotovoltaica instalada y acumulada en México hasta finales de 2007 se estima en 20.8 MW. A pesar de que México tiene un gran potencial para desarrollar energía eléctrica a partir de la luz del sol, el alto precio de estos proyectos, denominados fotovoltaicos, se ha convertido en un freno para el impulso de esta alternativa renovable. Los bajos niveles tecnológicos de las empresas dedicadas a esta actividad y su mínima capacidad para invertir en investigación y desarrollo, ha generado que al menos diez productoras de energía solar hayan salido del país durante el último año. José Luis Barquet, presidente de la Asociación Mexicana de Proveedores de Energías Renovables (AMPER), detalló que la inversión inicial para estos proyectos es elevada, ya que requiere alrededor de siete dólares por watt instalado, con un retorno de inversión a 14 años. Y como referencia, una pyme dedicada al comercio requiere 20 kilowatts. La tecnología relacionada con la generación de electricidad por procesos fotovoltaicos ha tenido grandes avances. Su costo unitario de potencia se ha reducido más de 20 veces desde 1973, permitiendo que el uso de esta tecnología se haya generalizado. La conversión directa de energía solar a energía eléctrica, a través de celdas fotovoltaicas, puede lograrse con una eficiencia entre el 5% y el 20 %, dependiendo de la tecnología de las celdas. Los costos típicos actuales de la energía eléctrica útil de los sistemas fotovoltaicos van desde $38,000 a $54,000 por kw instalado, y los costos de generación varían entre $2.70 y $18 por kwh generado Actualmente, no existe un cálculo sobre el valor del mercado de celdas fotovoltaicas en nuestro país, sin embargo, expertos explicaron que se compone de importadores alemanes y estadunidenses, principalmente. Al inicio de esta década se creó un programa de incentivo al sector a través del Fideicomiso de Riesgo Compartido (Firco) de la Secretaría de Agricultora, para la construcción de 1,100 sistemas de bombeo de agua que operarían a través de energía fotovoltaica, y para lo cual se crearon 20 empresas, sin embargo, una vez terminado el proyecto, este mercado se enfrió. Posteriormente, se crearon algunos incentivos para impulsar contratos de interconexión con la Comisión Federal de Electricidad (CFE) para sistemas pequeños, que fueron aplicados en Mexicali, Baja California, en un conjunto habitacional de manera experimental. Al respecto, varios fabricantes e integradores opinan que el mercado no es rentable en México, no obstante, tienen que seguir atentos a oportunidades, y sobre todo, a la nueva oleada verde entre la industria privada, con los proyectos de autoabastecimiento. Otro de los problemas que han enfrentado los fabricantes mexicanos es el mercado de productos chinos, que en promedio venden esta tecnología hasta 50 por ciento más barata que la estadunidense o alemana, que cuenta con certificaciones internacionales. 33

47 En general, un módulo celda fotovoltaica tiene un precio de 3.5 a cuatro dólares por watt, mientras que el producto chino cotiza en 1.5 dólares, lo que ocasiona que en un mercado reducido como el mexicano, las oportunidades de venta se reduzcan. La Secretaría de Energía estima que en 2012 arrancará el proyecto de Agua Prieta, Sonora, que consiste en un sistema solar integrado de ciclo combinado con una capacidad bruta de 477 MW, de los cuales diez serán generados por el sol durante el verano. Sin embargo, la primera licitación de este proyecto resultó desierta debido a que se cuenta con un presupuesto limitado. La mayor parte del desarrollo de la industria solar en México se ha dado a partir de proyectos de electrificación rural mediante la tecnología fotovoltaica, ante la necesidad del Estado de encontrar mecanismos viables para proporcionar el servicio eléctrico en las regiones más marginadas del país. Como acciones de gobierno destacan los proyectos de Fomento a las Fuentes Alternas de Energía en los Agronegocios, y de Energías Renovables del Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO), los cuales son financiados con recursos del Global Environment Facility (GEF), el Banco Mundial y el programa Pro-Campo del Gobierno Federal, beneficiando a comunidades rurales remotas de los estados de Chiapas, Guerrero, Oaxaca y Veracruz, con servicios energéticos de calidad. Existe un proyecto de ciclo combinado, a cargo de la Comisión Federal de Electricidad, denominado 171 CC Agua Prieta II (con campo solar), en el estado de Sonora. Consiste en un sistema solar integrado de ciclo combinado con tecnología de canales parabólicos solares, el cual se encuentra en etapa de licitación, esperándose que inicie operaciones en abril de 2012, con una capacidad bruta de 477 MW, de los cuales 10 MWT serán generados por el campo solar en el verano CONTRATO DE INTERCONEXIÓN A LA RED El miércoles 27 de Junio de 2007 se publicó en el diario oficial de la federación la resolución No. RES/176/2007, por la que se aprueba el modelo de contrato de interconexión para fuentes de energía solar en pequeña escala. En dicho documento se define que: Una Fuente de Energía Solar en Pequeña Escala es la que utiliza como energético primario la energía solar. El Generador: es la persona física o moral que cuente con un equipo de generación eléctrica con Fuente de Energía Solar en Pequeña Escala. El suministrador: son los organismos públicos descentralizados Luz y Fuerza del centro y la Comisión Federal de Electricidad Este contrato de interconexión es aplicable a todos los Generadores con Fuente de Energía Solar en Pequeña Escala con capacidad hasta de 30 kw, que se interconectan a la red eléctrica del suministrador en tensiones inferiores a 1 kv, y que no requieren hacer uso del Sistema del Suministrador para portear energía a sus cargas. La potencia máxima a instalar dependerá del tipo de servicio, y no podrá ser mayor a lo siguiente: Para usuarios con servicio de uso residencial: hasta 10 kw Para usuarios con servicio de uso general en baja tensión: hasta 30 kw 34

48 La inversión necesaria para la construcción de las instalaciones o equipos que técnicamente sean necesarios, así como, los medidores bi-direccionales y equipos de medición utilizados para medir la energía entregada por el Generador al Suministrador y la que entregue el Suministrador al Generador, estarán a cargo del Generador. Asimismo, será a cargo del Generador cualquier modificación que sea necesario realizar a las instalaciones existentes para lograr la interconexión, mismas que, en su caso, realizará bajo la supervisión del Suministrador y previa autorización de éste. Para fines de facturación, el consumo de kwh del Generador, se determinará como la diferencia entre la energía eléctrica entregada por el Suministrador y la entregada por el Generador al Suministrador. Cuando la diferencia sea negativa, se considerará como un crédito a favor del Generador que podrá ser compensado dentro del periodo de 12 meses siguientes. De no efectuarse la compensación en ese periodo, el crédito será cancelado y el Generador renuncia a cualquier pago por este concepto. Cuando la diferencia sea positiva, se considerará como un crédito a favor del Suministrador y se facturará en la tarifa aplicable. CONCLUSIONES La capacidad de los paneles para convertir la radiación solar en electricidad depende ampliamente del material del que están elaboradas, siendo el más eficiente el Monocristalino, seguido por el Policristalino, Diselenio de Indio-Cobre, Telurio de Cadmio y, por último, el Silicio Amorfo. Los Sistemas Fotovoltaicos se utilizan para energizar cercas eléctricas, en Sistemas de Protección Catódica, en Sistemas de iluminación, en Telecomunicaciones y Sistemas de Monitorio Remoto y, principalmente, en la Electrificación Rural. Se prevé que en el año 2030 habrá en todo el planeta una potencia instalada de 1,3 millones de megavatios de energía solar fotovoltaica, lo que permitirá cubrir el 10 por ciento del consumo eléctrico mundial, dando servicio a más de 3600 millones de personas. Alemania (5308 MW acumulados), España (3223 MW acumulados) y Estados Unidos (1173 MW acumulados) a finales del año 2008 son los países con mayor producción de energía fotovoltaica en el planeta pero con el transcurso del tiempo, los países del resto de Europa y del mundo, tendrán también una producción muy importante de ésta forma de energía. La energía fotovoltaica en México (20.8 MW acumulados a finales del año 2007) ha tenido un mayor impulso en sistemas de electrificación rural, por lo que la producción de esta forma de energía es baja comparado con países de Europa. Actualmente se están elaborando proyectos para ampliar la producción de esta energía. Imagen Fuente: Secretaría de Energía del Informe Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables (Enero 2010) 35

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50 INTRODUCCIÓN En este capítulo, se tratarán los conceptos principales del la energía eólica. Los conceptos del viento, su clasificación y los aparatos para medir su velocidad. Se mostrará también la definición de una Turbina Eólica, así como los elementos que la constituyen y los aspectos más sobresalientes para su instalación. Así mismos, se tratará el desarrollo histórico de la energía eólica como una fuente para producir energía eléctrica en los principales países productores del mundo y en México y su posible crecimiento para los años futuros. ENERGÍA EÓLICA La energía eólica tiene su origen en el sol, ya que este es el responsable de que se produzca el viento. La atmósfera de la Tierra absorbe la radiación solar de forma irregular, debido a diversos factores: nubosidad, orografía, océanos En las zonas con mayor impacto solar el aire se calienta más. Por efecto de la radiación solar, el aire se dilata y asciende, formando bolsas de aire. En las zonas con menos radiación el aire asciende menos y se concentra en bolsas sometidas a altas presiones, mientras que el aire caliente queda sometido a bajas presiones en bolsas más altas. Esta diferencia de presión hace que el aire tienda a desplazarse desde las zonas de alta presión a las de baja, más altas. Este movimiento del aire es lo que llamamos viento. Imagen Fuente: Entre el 1% y el 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. Si se aprovechara en su totalidad esto sería suficiente para abastecer cinco veces la necesidad energética mundial anual. Pero la tecnología actual sólo permite aprovechar los vientos horizontales, próximos al suelo, siempre que su velocidad no sea demasiado elevada ni demasiada baja. Más de millones de KV/h de electricidad se generan anualmente en todo el mundo. De esto, cerca del 65% es producido quemando combustibles fósiles y el resto se obtiene de otras fuentes, incluyendo nuclear, hidroelectricidad, geotérmica, biomasa, solar y el viento. Solamente cerca del 0.3% de esta energía es producida convirtiendo la energía cinética del viento en energía eléctrica, sin embargo, el uso del viento para la producción eléctrica se ha estado extendiendo rápidamente en años recientes, debido en gran parte a las mejoras tecnológicas, la maduración de la industria y una creciente preocupación por las emisiones asociadas a la quema de combustibles fósiles. 37

51 Todavía hay mucho lugar para crecer, pues solamente una porción pequeña del recurso utilizable del viento está siendo aprovechada. Mediante las regulaciones a la industria eléctrica, así como con incentivos por parte de los gobiernos, desempeñan un importante papel determinante en cuan rápidamente se adoptará la energía eólica. Las políticas eficaces ayudarán a allanar el camino y asegurarán de que la energía eólica pueda competir con otras fuentes de energía en el mercado de la electricidad. VENTAJAS DE LA ENERGÍA EÓLICA La energía eólica tiene muchas ventajas que la hacen una fuente de energía atractiva tanto en gran escala como para pequeñas aplicaciones. Las características beneficiosas de la energía eólica incluyen: Energía limpia e inagotable: La energía del viento no produce ninguna emisión y no se agota en un cierto plazo. Una sola turbina de viento de un megavatio (1 MW) que funciona durante un año puede reemplazar la emisión de más de 1.5 toneladas de dióxido de carbono, 6.5 toneladas de dióxido de sulfuro, 3.2 toneladas de óxidos del nitrógeno, y 60 libras de mercurio. Desarrollo económico local: Las plantas eólicas pueden proporcionar un flujo constante de ingresos a los terratenientes que arriendan sus campos para la explotación del viento, y un aumento en la recaudación por impuestos territoriales para las comunidades locales. Tecnología modular y escalable: las aplicaciones eólicas pueden tomar muchas formas, incluyendo grandes granjas de viento, generación distribuida, y sistemas para uso final. Las aplicaciones pueden utilizar estratégicamente los recursos del viento para ayudar a reducir los riesgos por el aumento en la carga o consumo y costos producidos por cortes. Estabilidad del costo de la energía: La utilización de energía eólica, a través de la diversificación de las fuentes de energía, reduce la dependencia a los combustibles convencionales que están sujetos a variaciones de precio y volatilidad en su disponibilidad. Reducción en la dependencia de combustibles importados: la energía eólica no está afectada a la compra de combustibles importados, manteniendo los fondos dentro del país, y disminuyendo la dependencia a los gobiernos extranjeros que proveen estos combustibles. Imagen Fuente: (Julio 2007) DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA EÓLICA El aire al ser un fluido de pequeño peso específico, implica fabricar máquinas grandes y en consecuencia caras. Su altura puede igualar a la de un edificio de diez o más plantas, en tanto que la envergadura total de sus aspas alcanza la veintena de metros, lo cual encarece su producción. Desde el punto de vista estético, la energía eólica produce un impacto visual inevitable, ya que por sus características precisa unos emplazamientos que normalmente resultan ser los que más evidencian la presencia 38

52 de las máquinas (cerros, colinas, litoral). En este sentido, la implantación de la energía eólica a gran escala, puede producir una alteración clara sobre el paisaje, que deberá ser evaluada en función de la situación previa existente en cada localización. Un impacto negativo es el ruido producido por el giro del rotor, pero su efecto no es más acusado que el generado por una instalación de tipo industrial de similar entidad, y siempre que estemos muy próximos a los molinos. También ha de tenerse especial cuidado a la hora de seleccionar un parque si en las inmediaciones habitan aves, por el riesgo mortandad al impactar con las palas, aunque existen soluciones al respecto como pintar en colores llamativos las palas, situar los molinos adecuadamente dejando "pasillos" a las aves, e, incluso en casos extremos hacer un seguimiento de las aves por radar llegando a parar las turbinas para evitar las colisiones. EL VIENTO Como la mayoría de las fuentes de energía terrestres, en última instancia viene del sol. El sol irradia 174,423,000,000,000 kilovatios/hora de energía a la tierra. Es decir, en una hora la tierra recibe 1.74 x vatios de energía. Aproximadamente entre el 1% y el 2% la energía que proveniente del sol es convertida en viento. Ésa cantidad es de 50 a 100 veces más que la energía convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra. Las diferencias de temperatura conducen a la circulación de aire. Las regiones alrededor de ecuador, de latitud 0, son calentadas por el sol más que el resto del planeta. El aire caliente, que es más ligero que el aire frío, se eleva hasta alcanzar aproximadamente 10 kilómetros de altitud y se separará en dos corrientes una se dirige hacia el norte y otra al sur. Si el globo no rotara, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al polo sur, bajaría, y volvería al ecuador. Los vientos predominantes se combinan con factores locales, tales como la presencia de colinas, montañas, árboles, edificios y masas de agua, para determinar las características particulares del viento en una localización específica. Puesto que el aire posee masa, el aire en movimiento en forma de viento lleva con él energía cinética. Una turbina del viento convierte esta energía cinética en electricidad. El contenido de energía de un volumen determinado de viento es proporcional al cuadrado de su velocidad. Así, al duplicarse la velocidad con la cual este volumen de aire pasa a través de una turbina de viento dará lugar a un aumento de cuatro veces la potencia que se puede extraer de este aire. Además, al duplicarse la velocidad del viento permitirá que dos veces el volumen de aire pase a través de la turbina en la misma cantidad de tiempo, dando por resultado un aumento de ocho veces la potencia generada. Esto significa que con solo un leve aumento en velocidad del viento puede obtenerse aumentos significativos en la producción de energía. E CINÉTICA 1 mv 2 2 La cantidad de energía cinética de una masa de aire (E CINÉTICA ) es igual a la mitad del producto de su (m) total y el cuadrado de su velocidad (v). 39

53 3 P v La cantidad de la potencia (P) ejercida por el viento es proporcional al cubo de su velocidad (v). HISTORIA DEL USO DEL VIENTO Las primeras máquinas que aprovecharon el viento fueron probablemente los molinos de viento de eje vertical usados para moler granos en Persia (actualmente Irán) alrededor del 200 D.C. Tenían un cierto número de brazos en los cuales se montaban velas, las cuales originalmente estaban hechas de cañas. Imagen Fuente: (Julio 2007) Los molinos de viento de eje horizontal aparecieron en la región mediterránea alrededor del el siglo 10 y estaban emplazados de forma permanente de cara a los vientos marítimos predominantes. Imagen Fuente: (Julio 2007) Los primeros molinos de viento europeos aparecieron en el siglo décimo tercero, y poseían un mecanismo manual que rotaba todo el molino para orientarlo frente al viento. Estos molinos eran utilizados para moler granos y bombear agua. El molino de viento holandés del siglo 15 tenía un cuerpo fijo y un casquillo rotativo con un veleta que apuntaba las paletas al viento. Estas máquinas tenían paletas con diámetros de hasta 25 m y salidas de energía de hasta 30 kilovatios con vientos favorables. En general, tenían alrededor de un cuarto de la eficacia de las turbina de viento modernos. Estas máquinas llegaron a extenderse mucho hasta final del siglo diecinueve cuando, por ejemplo, Holanda tenía cerca de 9000 molinos. Menos de 1000 de estas máquinas aún continúan funcionando. Imagen Fuente: (Julio 2007) 40

54 Aprovechar el viento para la generación en gran escala de energía eléctrica es un desarrollo relativamente reciente. El viento ha sido utilizado por centenares de años para la navegación y para accionar molinos de viento, pero no fue hasta fines del siglo XIX que se construyo la primera turbina eólica para la producción eléctrica. Este molino de viento fue construido por Charles Brush (inventor clave de varias tecnologías de la naciente industria eléctrica de ese entonces), este molino tenía 17 metros de alto y un rotor de 144 paletas, completamente construido de madera del cedro. Poco después de eso, el danés Poul la Cour, descubrió que las turbinas del viento que rotaban rápidamente y poseían rotores con pocas paletas generaban electricidad más eficientemente que las turbinas de viento de movimiento lento con rotores de muchas paletas. Esto abrió la puerta en un número de avances de la turbina del viento durante el siglo XX. Éstos avances incluyen la introducción de los generadores de Corriente Alterna, la estandarización del modelo con rotor a barlovento (el rotor de cara al viento), de los equipos de orientación electromecánicos para asegurarse de que el rotor siempre este directamente frente al viento, y de frenos de control para prevenir que el rotor se de vuelta demasiado rápido frente a fuertes vientos. Las turbinas eólicas modernas hacen uso de muy pocas paletas pero muy largas para capturar energía del viento. Como éstas son máquinas grandes, su rotación es relativamente lenta, pero generan grandes cantidades de energía al hacerlo. MEDIDORES DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO La velocidad del viento es preciso medirla durante la etapa de estudio de viabilidad del proyecto eólico, si no se dispone de gráficos meteorológicos precisos, y durante el funcionamiento del sistema, para efectuar determinadas acciones de control. Para tal finalidad, se emplean los denominados anemómetros (anemo viento ), los cuales están presentes comercialmente en dos formas que definen sus modos de utilización: Anemómetros Portátiles, de mano, para efectuar mediciones en tierra. Son equipos que integran todas las funciones necesarias para captar la velocidad del viento y presentar su valor de forma numérica en su visualizador. Imagen Fuente: Libro Guía del Instalador de Energías Renovables. Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización Tomás P. Benito. Editorial Limusa, S.A. de C.V. Grupo Noriega Editores. Edición México. Anemómetro con Componentes Separados, que corresponde a los que están compuestos por un captador de la velocidad del viento a instalar en la torre del aerogenerador y el instrumento de representación a disponer en la superficie, en el alojamiento de control del aerogenerador. 41

55 El anemómetro como instrumento de captación y representación de la velocidad del viento, está compuesto por dos secciones, que son: Captador de Velocidad. Una rueda alada, o bien un sistema de cubetas propuesto por dos o más unidades de forma cónica o semiesférica montadas en simetría sobre un eje vertical de rotación, constituye el componente principal del anemómetro. La velocidad del viento determina, de modo lineal, la de su eje. La figura muestra un captador del tipo de cubetas, que es el más empleado. Imagen Fuente: Libro Guía del Instalador de Energías Renovables. Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización Tomás P. Benito. Editorial Limusa, S.A. de C.V. Grupo Noriega Editores. Edición México. El indicado eje está acoplado de modo directo a un transductor, que puede ser un generador eléctrico o un codificador optoeléctrico o similar, con la finalidad de proporcionar una magnitud eléctrica representativa de la velocidad del viento. Tal magnitud puede tener forma de tensión continua de valor dependiente del viento, alterna, cuya información está en forma de la frecuencia proporcionada, o un conjunto de impulsos codificados. Su destino es un instrumento de medida denominado monitor o bien un PC para medidas informatizadas, de modo que éste es el empleado en los parques eólicos. Monitor. El monitor es un sistema de representación numérica de la velocidad del viento. Recibe la magnitud eléctrica procedente del captador y la adapta para tal finalidad. Puede ser un instrumento de medida del tipo analógico, cuya aguja se desplazará en correspondencia con la tensión procedente del generador eléctrico o un sistema electrónico sofisticado con memoria de parámetros, valores, etc., con pantalla numérica del tipo LCD o similar. 42

56 CLASIFICACIÓN DE LOS VIENTOS POR SU VELOCIDAD La clasificación de los vientos fue definida en 1805 por Sir Francis Beaufort, de la Royal Navy del Reino Unido, el cual estableció una tabla con doce niveles que es empleada internacionalmente. El siguiente cuadro la representa: FUERZA VELOCIDAD (m/s) SITUACIÓN Calma Aire ligero Brisa ligera Brisa apacible Brisa moderada Brisa fresca Brisa fuerte Brisa muy fuerte Vendaval Vendaval muy fuerte Tormenta Tormenta violenta 12 Más de 32.7 Huracán Tabla 1.3 Clasificación de la Velocidad del Viento por Sir Francis Beaufort Fuente: Libro Guía del Instalador de Energías Renovables. Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización Tomás P. Benito. Editorial Limusa, S.A. de C.V. Grupo Noriega Editores. Edición México. TURBINAS EÓLICAS Una turbina eólica es un dispositivo mecánico que convierte la energía del viento en electricidad. Las turbinas eólicas se diseñan para convertir la energía del movimiento del viento (energía cinética) en la energía mecánica, movimiento de un eje. Luego en los generadores de la turbina, ésta energía mecánica se convierte en electricidad. La electricidad generada se puede almacenar en baterías, o utilizar directamente. Hay tres leyes físicas básicas que gobiernan la cantidad de energía aprovechable del viento: E E E La primera ley indica que la energía generada por la turbina es proporcional a la velocidad del viento al cuadrado. La segunda ley indica que la energía disponible es directamente proporcional al área barrida de las paletas. La energía es proporcional al cuadrado de la longitud de las paletas. La tercera ley indica que existe una eficacia teórica máxima de los generadores eólicos del 59%. En la práctica, la mayoría de las turbinas de viento son mucho menos eficientes que esto, y se diseñan diversos tipos para obtener la máxima eficacia posible a diversas velocidades del viento. Los mejores generadores eólicos tienen eficacias del 35% al 40%. 43

57 Imagen Fuente: (Julio 2007) En la práctica las turbinas eólicas se diseñan para trabajar dentro de ciertas velocidades del viento. La velocidad más baja, llamada velocidad de corte inferior que es generalmente de 4 a 5 m/s, pues por debajo de esta velocidad no hay suficiente energía como para superar las pérdidas del sistema. La velocidad de corte superior es determinada por la capacidad de una máquina en particular de soportar fuertes vientos. La velocidad nominal es la velocidad del viento a la cual una máquina particular alcanza su máxima potencia nominal. Por arriba de esta velocidad, se puede contar con mecanismos que mantengan la potencia de salida en un valor constante con el aumento de la velocidad del viento. Imagen Fuente: (Julio 2007) Los elementos principales de cualquier turbina del viento son el rotor, una caja de engranajes, un generador, equipo del control y monitoreo y la torre. Rotor: Las palas del rotor se diseñan para que giren con en el viento, moviendo el generador de la turbina. Las turbinas del viento modernas de gran escala típicamente se equipan de rotores de tres palas con extensiones de 42 a 80 metros (138 a 262 pies) de diámetro. Caja de engranes: Los engranajes se utilizan para aumentar la frecuencia para la producción eléctrica. Generador: Este es quien genera la electricidad cuando hay suficiente viento como para rotar las paletas. La electricidad se transfiere a la siguiente etapa usando el cableado (para el almacenaje, envió a la red o para el uso directo). Las turbinas de gran escala generalmente contienen generadores con capacidades entre 600 kilovatios y 2 MW. 44

58 Torre: La torre eleva el montaje de las turbinas sobre las corrientes de aire turbulentas cerca de la tierra y permite capturar un viento de mayor velocidad. El diseño de torre es particularmente crítico, pues deben ser tan altas como sea económicamente posible (generalmente entre 40 y 100 metros), también deben ser robustas, permitir el acceso a la turbina para su mantenimiento, pero no agregar costo innecesario al sistema. Un aspecto particularmente importante del diseño de torres es la eliminación de la resonancia entre la gama de frecuencias de las paletas que rotan y la frecuencia de resonancia de la torre. Una instalación eólica a gran escala, llamada granja eólica o parque eólico, consiste en una colección de estas turbinas. Hay dos factores principales que hay que considerar al momento de realizar un emplazamiento de turbinas eólicas. Estos son la localización donde se ubicaran las turbinas y el otro es la altura que tendrán las torres. A continuación explicamos ambos factores. LOCALIZACIÓN Las estimaciones exactas de la velocidad del viento son críticas al momento de evaluar el potencial de la energía eólica en cualquier localización. Los recursos eólicos son caracterizados por una escala de clases de viento según su velocidad, que se extiende de la clase 1 (la más bajo) a la clase 7 (la más alta). Los desniveles de la superficie a través de la cual sopla el viento antes de llegar a una turbina determina la cantidad de turbulencia que ésta turbina experimentará. Los vientos turbulentos ejercen mayores tensiones sobre el rotor y se elevan, reduciendo consecuentemente la expectativa de vida de la turbina. Así, la mayoría de granjas del viento están ubicadas en localizaciones rurales, lejos de edificios, de árboles y de otros obstáculos. Tabla 1.4 Escala de Clases de Viento Según su Velocidad Fuente: (Julio 2007) Mientras que las características técnicas del viento en una localización específica son muy importantes, muchos otros factores también contribuyen en la decisión del emplazamiento. Una localización alejada de la red de distribución eléctrica puede llegar a ser poco rentable, pues se requerirán nuevas líneas de transmisión para conectar la granja eólica con la red. La infraestructura de transmisión existente puede llegar a necesitar una ampliación para poder manejar la fuente de energía adicional. Las condiciones del suelo y del terreno deben ser convenientes para la construcción de las fundaciones de las torres. Finalmente, la elección de una localización puede estar limitada por regulaciones sobre el uso de la tierra y la capacidad de obtener los permisos requeridos de las autoridades locales, regionales y nacionales. 45

59 ALTURA DE LA TORRE La altura de la torre afecta la cantidad de potencia que se puede obtener del viento con una turbina dada, así como las tensiones sobre el rotor. A una altura de un kilómetro sobre la superficie, las velocidades del viento no son influenciadas por el terreno que se encuentra debajo. El viento se mueve más lentamente cuanto más baja sea la altura, con la máxima reducción de velocidad del viento situada muy cerca de la superficie. Este fenómeno, conocido como esquileo del viento, es un factor determinante al momento de tomar la decisión sobre la altura de la torre, puesto que con a mayor altura los rotores se exponen a vientos más rápidos. Además, las diferencias en la velocidad del viento entre la parte superior y la inferior del rotor disminuyen a mayores alturas, causando menor desgaste en la turbina. RESUMEN DE AEROGENERADORES Los aerogeneradores son los aparatos empleados para transformar la fuerza cinética del viento en electricidad. El viento mueve unas turbinas que van colocadas sobre una columna, para mejorar su rendimiento ya que a más altura velocidad del viento. Se suelen colocar lejos de obstáculos como árboles o edificios que pueden crear turbulencias en el aire. Imagen Fuente: La mayoría de los generadores actuales son tripala, ya que se ha demostrado que son los más eficaces debido a su menor rozamiento con el aire. Las palas se orientan para optimizar el rendimiento o detener el aparato. Imagen Fuente: 46

60 La torre soporta las hélices y la góngola con el mecanismo y suele medir entre 40 y 60 metros, lo que equivale a un edificio de 15 plantas. En la góngola se encuentra el mecanismo rotor así como diversos aparatos de medición. El anemómetro mide la velocidad del viento. En caso de que ésta sea muy elevada el rotor se detiene automáticamente para evitar posibles daños. La veleta informa al sistema de control del aparato de la dirección del viento, de manera que el rotor y las aspas se orienten de la forma más adecuada. El pararrayos protege la turbina de descargas atmosféricas. Las tomas de aire para refrigerar el mecanismo. Imagen Fuente: El rotor es el conjunto formado por las palas y el eje al que van unidas, a través de una pieza llamada buje. Las palas capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. El buje está conectado a un multiplicador, que por medio un sistema de engranajes multiplica unas 60 veces la velocidad del eje. El generador eléctrico transforma la energía mecánica del rotor en eléctrica. Imagen Fuente: La electricidad producida por el generador baja por unos cables hasta un convertidor situado cerca de los aerogeneradores. El convertidor transforma la energía y la envía a la red eléctrica sin fluctuaciones. Imagen Fuente: 47

61 Normalmente los aerogeneradores se instalan agrupados en parques eólicos para aprovechar mejor las posibilidades energéticas del lugar, reducir costos y evacuar la energía desde un solo punto y reducir así el impacto ambiental. Imagen Fuente: 48

62 ENERGÍA EÓLICA EN LA UNIÓN EUROPEA Europa se enfrenta a los retos mundiales del cambio climático, el agotamiento de los recursos energéticos convencionales, el aumento de los costos de combustible y la amenaza de interrupciones en el suministro. Durante los próximos 12 años, 332 GW de nueva capacidad eléctrica (42% de la capacidad actual de la Unión Europea) tiene que ser construida para reemplazar el envejecimiento de las plantas de energía y atender el aumento previsto de la demanda. En el 2009, la Directiva de Energías Renovables de la Unión Europea tiene por objeto aumentar la cuota de las energías renovables del 8.6% en 2005 al 20% en En el 2007, la cuota de las energías renovables ya había llegado a 9.9%. A ese ritmo, un aumento de 0.65% por año, la UE alcanzará 18.35% de energías renovables en el La Comisión Europea adoptó un ambicioso proyecto político cuando se propuso el objetivo del 20% para el éxito de las energías renovables, sin embargo, desde un punto de vista de la tecnología, el objetivo del 20% es ambicioso. Como la más barata de las tecnologías de electricidad renovable, el viento será el principal contribuyente a cumplir la meta del 34% de electricidad renovable necesario para el año 2020 en la UE, como prevé la Directiva Como consecuencia, la Asociación Europea de Energía Eólica (EWEA por sus siglas en inglés), en marzo de 2009, aumentó su meta para el 2020 de 180 GW a 230 GW, con 40 GW de energía eólica marina. Con este informe, EWEA aumenta su objetivo de 300 GW a 400 GW para el En el 2020, la mayoría de la electricidad renovable de la UE será producida por los parques eólicos en tierra. Sin embargo, para la próxima década debe prepararse para la explotación a gran escala de la energía eólica marina. Se debe de iniciar una infraestructura nacional para el desarrollo de la energía eólica en mar y en tierra, convirtiéndose en los principales corredores europeos de comercio de electricidad. Cuanto más rápido se desarrollen, más rápido se tendrá un sustituto interno para los suministros futuros de importación de combustible, por si se interrumpe o el costo del combustible experimenta un incremento elevado. ESCENARIOS ENERGÉTICOS PARA EL 2020 Todos los 27 países miembros de la Unión Europea deben proporcionar las estimaciones del consumo bruto de la energía final de todos los tipos de energía (tanto renovable como no renovable), para cada año entre 2010 y Deben proporcionar contribuciones previstas para tres sectores diferentes: calefacción/refrigeración, electricidad y transporte. También tienen que proporcionar un objetivo para cada tecnología de energía renovable, tanto en tierra y la energía eólica marina, y deben especificar tanto la capacidad instalada (MW) y la producción de electricidad (GWh). En consulta con sus miembros de las empresas y las asociaciones nacionales de la energía eólica, la EWEA ha analizado los mercados de la energía eólica en los 27 países miembros. Los resultados de este análisis se basan en dos escenarios: Bajo escenario: se basa en el enfoque tradicionalmente conservador EWEA de establecer metas para el futuro de la energía eólica. Supone una capacidad total instalada de energía eólica en la UE en 2020 de 230 GW, que produce 580 TWh de electricidad. 49

63 Alto escenario: reconoce que la energía eólica (como el más viable de las tecnologías de electricidad renovable) es probable que cumpla una proporción mucho mayor a la meta del 12% de la demanda de electricidad que impuso la Directiva de Energías Renovables de la Unión Europea de aquí a En el "alto escenario, la capacidad total instalada de energía eólica llegará a 265 GW en 2020, produciendo 681 TWh de electricidad. MW Tabla 1.5 Energía Eólica Instalada en Europa a Finales del 2008 (Acumulado) MW Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) A continuación se muestra un desglose de la cantidad de energía eólica producida para el 2020 de los países de la Unión Europea: 50

64 Tabla 1.6 Previsiones de la Energía Eólica en Europa Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) 51

65 52 Tabla 1.6 Previsiones de la Energía Eólica en Europa Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009)

66 Tabla 1.7 Previsiones de la Energía Eólica para Europa. Escenario Bajo y Alto para el año 2020 Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) 53

67 UNIÓN EUROPEA. COMBINACIÓN DE ENERGÍAS Entre 2000 y 2008, la capacidad total de la potencia instalada en el UE tuvo un aumento de 225 GW, alcanzando los 800 GW a finales de El cambio más notable en el uso de energías para producir electricidad es el incremento en el uso del gas en un 75% obteniendo 177 GW. La energía eólica ha aumentado en cinco veces en el mismo período, de 13 GW a 65 GW. Los últimos 10 países que se convirtieron en miembros de la UE en mayo del 2004 aportaron otros 112 GW de generación energética en el 2005, de los cuales 80 GW fueron por medio de carbón, 12 GW por centrales hidroeléctricas, 12 GW por gas natural, 6.5 GW por energía nuclear y 186 MW por energía eólica. La producción de energía eléctrica por medio de gas natural ha aumentado en un 50% desde el 2000, alcanzando el 22% sólo en el año La generación por carbón, junto con el petróleo, se han modificado (bajaron 5%), las grandes hidroeléctricas (bajaron 3%) y la nuclear (bajó 6%) teniendo un decremento en sus aportaciones. La energía eólica tuvo un incremento del 2% en el año 2000 mientras que para el 2008 aportó el 8%. Gráfica 1.23 Capacidad de la Energía Instalada en la Unión Europea GW ( ) Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) Las tecnologías para general electricidad sufrieron cambios en su capacidad de aportación en la Unión Europea en el periodo comprendido del año 2000 al En un periodo de 8 años, la capacidad de producción se incrementó en 123 GW. Del cual, el gas natural (84 GW) y la energía eólica (6 GW) se incrementaron a costa de la disminución del aporte de la producción por carbón (-11 GW) y del petróleo (-13 GW). En el 2008, 23.9 GW de nuevas capacidades de producción fueron instaladas por los 27 miembros de la UE, del cual 8.5 GW (36%) fue por aire, 6.9 GW (29%) fue por gas natural y 4.2 GW (18%) fue por energía fotovoltaica. 54

68 LA SITUACIÓN ACTUAL DE LA ENERGÍA EÓLICA 27.1 GW de energía eólica nueva global se instaló durante el 2008, llegando a un total de 121 GW acumulados para el final del año. El mercado global anual de turbinas eólicas se incrementó un 37% en el 2008, siguiendo un crecimiento de 31% en el 2006 y 2007, y 40% en el Con referencia a los pasados 4 años, el mercado global anual de turbinas eólicas tuvo un crecimiento superior de 8.3 GW en el 2004 a 27.1 GW en el El total de energía eólica instalada acumulada se incrementó de 48 GW a 121 GW en el mismo periodo. Gráfica 1.24 Capacidad de Energía Eólica Global Acumulada ( ) Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) Alemania (24 GW) y España (17 GW) continúan siendo líderes en la Unión Europea en términos de capacidad de energía eólica instalada. El 63% del total de esta forma de energía está localizada en estos dos países. En el 2008, tres grandes naciones Italia (3.7 GW), Francia (3.4 GW) e Inglaterra (3.2 GW) alcanzaron a Dinamarca (3.2 GW, el tercer país pionero en energía eólica junto con Germania y España) en capacidad total de producción. 55

69 Tabla 1.8 Capacidad de Energía Eólica Instalada en la Unión Europea MW ( ) Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) En el 2008, Alemania (1.665 GW) instaló marginalmente más energía eólica que España (1.609 GW). Los siguientes fueron Italia (1.010 GW), Francia (0.950 GW) e Inglaterra (0.836). Diez naciones (Alemania, Italia, Francia, Inglaterra, Dinamarca, Portugal, Países Bajos, Suecia e Irlanda) han anexado cada quien en promedio 1 GW a toda su instalación eléctrica. 56

70 Gráfica 1.25 Finales del 2008 Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) Gráfica 1.26 Capacidad Eólica Instalada por Año ( ) Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) Alemania, España y Dinamarca (las tres naciones pioneras de la energía eólica) están al inicio con un 67% del total de la capacidad de instalación de energía eólica. Sin embargo, sus acciones de instalaciones anuales han caído de 89% en el 2002 a 39% en el Alemania y España continúan con planes atractivos para mejorar la inversión, pero el fuerte crecimiento del mercado está en otros países europeos. En el 2002, GW era la capacidad total que fue instalada en Europa sin considerar a España, Alemania y Dinamarca. En el 2008 fue de GW, un incremento de más de siete veces. 57

71 Gráfica 1.27 Comparación de la Producción de Energía Eólica de Alemania, España y Dinamarca contra el Resto de Europa Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) OBJETIVOS PARA LA EVOLUCIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA En 1997 la European Commission White Paper sobre fuentes de energía renovables se propuso el objetivo de duplicar la cuota de las energías renovables en la Unión Europea del 6% al 12% en el 2010, es decir, 40 GW de energía eólica para producir 80 TWh de energía y ahorrar 72 millones de toneladas de CO 2. Este objetivo se alcanzó en el Por lo que se impuso una nueva meta, producir 337 TWh en 1995 a 675 TWh para el 2010 con fuentes de energías renovables. A finales del 2008, hubo 65 GW de potencia eólica instalada en la UE, con una producción de 137 TWh de electricidad, lo que representa un 40% del objetivo de la European Commission White Paper para el EWEA espera que la producción de energía eólica sea de 179 TWh en el 2010, teniendo un 53% de la meta impuesta por la European Commission White Paper para el Tanto la Comisión Europea y la Agencia Internacional de Energía publicaron los escenarios de referencia para el desarrollo de diferentes tecnologías de generación de electricidad, incluyendo la energía eólica. En 1996, un año antes de adoptar el objetivo de 40 GW de energía eólica la European Commission White Paper para el año 2010, la Comisión Europea estima que 8 GW serían instalados en Los 8 GW se cumplieron tres años más tarde, en El objetivo de la Comisión para el 2020 se fijó en 12.3 GW, pero se cumplió dos décadas antes de lo previsto, en el Desde 1996, la Comisión Europea ha cambiado los escenarios de referencia en cinco ocasiones. Durante los diez años comprendidos entre 1996 y 2006, sus objetivos para la energía eólica en 2010 y 2020 se multiplicaron por diez gradualmente - de 8 GW a 79 GW (2010) y de 12 GW a 129 GW (para 2020) -. El objetivo de EWA para mejorar la energía eólica se duplicó de 40 GW (en 1997) a 80 GW (en 2006) durante el mismo periodo. 58

72 La Agencia Internacional de Energía (AIE) también hace referencia para los escenarios de desarrollo de la energía eólica. En 2002, la AIE calculó que 33 GW se instalarán en Europa en 2010, 57 GW en 2020 y 71 GW en Dos años más tarde, en 2004, duplicó su pronóstico para la energía eólica a 66 GW en 2010 y más del doble en el 2020 y 2030, 131 GW y 170 GW respectivamente. En 2006, la AIE aumentó de nuevo su objetivo, para el 2030 se estiman 217 GW (su escenario de políticas alternativas supone 227 GW). En 2008, la AIE aumentó sus objetivos de energía eólica, una vez más. Tabla 1.9 Escenarios Basados en la Comisión Europea, IEA y la EWEA (GW) Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) Gráfica 1.28 Escenarios Basados en la Comisión Europea, IEA y la EWEA (GW) Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) 59

73 En 2008, la Comisión Europea, sorprendentemente y por primera vez redujo sus objetivos de energía eólica. Ha reducido su meta para el 2010 en un 10% a partir de 79 GW a 71 GW para el 2015 y sus previsiones en un 12% a partir de 104 GW a 92 GW. El escenario de referencia actual de la Comisión implica que el mercado anual para la energía eólica caería por un sorprendente 62% de 8,5 GW en 2008 a 3,2 GW en 2009 y En contraste, EWEA espera 8,6 GW a ser instalado en Aún se desconocen los motivos que llevaron a la Comisión Europea a reducir las expectativas para la energía eólica en el En el mismo año, la AIE incrementó drásticamente su pronóstico para el 2015 de 24% a partir de 106 GW a 140 GW, en concordancia con la meta de EWEA para el 2015 con 143 GW. Así mismo, la Comisión Europea redujo su meta para el 2020 de energía eólica de 129 GW a 120 GW, mientras que la AIE incrementó su objetivo de 150 GW a 183 GW (superior a la meta de EWEA para el 2020 de 180 GW). Para el 2030, la Comisión Europea redujo nuevamente su objetivo en un 21% (de 185 GW a 146 GW) mientras que la AIE elevó su meta de 28 % (de 170 GW a 217 GW). Es evidente que existe una gran discrepancia entre la Comisión Europea y puntos de vista de la AIE sobre el futuro de la energía eólica en Europa. La AIE dice que habrá 143 GW de capacidad eólica instalada en 2015 mientras que la Comisión Europea considera que esta cantidad sólo se alcanzará en el Las cifras de la Comisión Europea indican que el crecimiento anual de la capacidad de energía eólica en la UE se reducirá en un 46% a partir de 2009 (de 8,5 GW en 2008 a un promedio de 3,9 GW al año desde 2009 a 2015). En contraste, la AIE prevé que el aumento anual de capacidad será de 10,7 GW promedio, mientras que la EWEA espera 11,1 GW. De 2021 a 2030, la Comisión Europea espera que la energía eólica aumente en un promedio de 2,6 GW al año. Gráfica 1.29 Incremento Anual Promedio de la Capacidad de Energía Eólica en la UE. Comparación entre la Comisión Europea, IEA y la EWEA (GW) Fuente: Asociación Europea de Energía Eólica EWEA (2009) 60

74 ENERGÍA EÓLICA EN ESTADOS UNIDOS Con un total de 25,369 MW en funcionamiento a finales de 2008, EE.UU. se puso a la cabeza como líder, seguido por Alemania (23,902 MW), en la producción de energía eólica acumulada. También es el mayor mercado del mundo en términos de nuevas instalaciones (8,545 MW) que se añade en 2008, por delante de China (6,300 MW). La financiación para proyectos de energía eólica se había detenido y reducido a principios de 2009 debido a la crisis financiera y económica, con miles de megavatios en proyectos estancados debido a la falta de capital. Sin embargo, debido a los fuertes fundamentos de la industria y el apoyo a la energía renovable a partir de la administración de Obama, en la primavera de 2009 la industria estaba comenzando a ver el movimiento de nuevo, y cree que puede salir de la crisis económica y financiera en una posición aún más fuerte comparativa para a largo plazo. Gráfica 1.30 Capacidad de Energía Eólica Instalada Anualmente en Estados Unidos Fuente: Asociación Americana de Energía Eólica AWEA (2009) 61

75 LA ENERGÍA EÓLICA EN MÉXICO En México, el desarrollo de la tecnología de conversión de energía eólica a electricidad, se inició con un programa de aprovechamiento de la energía eólica en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en febrero de 1977, cuando la Gerencia General de Operación de Comisión Federal de Electricidad, cedió al IIE la Estación Experimental Eoloeléctrica de El Gavillero, en las cercanías de Huichapan, Hidalgo, donde se pretendía energetizar el ejido ya electrificado y con servicio, a partir de una microcentral eólica, integrada por dos aerogeneradores australianos Dunlite de 2 kw cada uno, un banco de baterías, y un inversor de 6 kw para alimentar la red de distribución del poblado. El inversor, construido por personal de CFE, fallaba arriba de los 2 kw de demanda por problemas de calidad de componentes, por lo que físicamente no pudo realizarse el experimento, sin embargo, estando instrumentado el sitio, se tenían los promedios horarios de velocidad del viento y conociéndose las características de respuesta de los aerogeneradores era posible estimar numéricamente la energía que podría suministrarse al ejido. El régimen de vientos del lugar producía exceso de energía en verano y déficit en invierno para el consumo normal del poblado. La Estación Experimental de El Gavillero se habilitó como centro de prueba de pequeños aerogeneradores y en ella se construyó además un simulador de pozo de agua para la prueba y caracterización de Aerobombas. La Estación estuvo en operación hasta 1996 en que fue desmantelada. El IIE desarrollo y probó en El Gavillero, los siguientes prototipos de aerogeneradores: 1. De 1.5 kw, tres aspas de aluminio, con control centrífugo de ángulo de ataque ( ). 2. El Fénix, de 2 kw, eje horizontal y tres aspas fijas de lámina de hierro, y control de cola plegable ( ). 3. El Albatros I, de 10 kw, eje horizontal, 11 m de diámetro, tres aspavelas de estructura de Al y forradas de tela de dacrón de alta resistencia. ( ). 4. El Albatros II, de 10 kw, eje horizontal, tres aspas de fibra de vidrio súper delgada con control por torcimiento del aspa. ( ). 5. La segunda versión del Fénix, con tres aspas de fibra de vidrio. ( ). 6. La Avispa, de 300 Watts, eje horizontal, tres aspas de fibra de vidrio y control por timón de cola plegable. ( ). 7. También se desarrolló una aerobomba mecánica, denominada "Itia", de eje horizontal, 5 aspas metálicas, con potencia del orden de 1/4 de HP, que bombeaba agua de pozos de hasta 50 m de profundidad. Este sistema, probado también en El Gavillero, en el simulador de pozos, fue objeto de una patente para el IIE, y aunque se concedió licencia para su fabricación y comercialización, la carencia de un mecanismo de financiamiento de riesgo compartido, la dificultad para la creación de la red de distribución y servicios, como la falta de financiamiento a los usuarios potenciales, impidió su diseminación. 62

76 En 1978, un aerogenerador de 1.5 kw con rotor horizontal de tres aspas de lámina de Aluminio, que tenían control del ángulo de ataque para regular la potencia entregada. Después de las pruebas de caracterización, que resultaron satisfactorias y corroboraban las expectativas de diseño, estando parado, frenado y con las aspas amarradas a la torre, un gran remolino lo impactó, arrancándole dos aspas y destruyéndolas. Los exámenes posteriores evidenciaron un error en los procedimientos de soldadura en atmósfera inerte, en el soporte rotatorio del mango del aspa. Dicho prototipo no fue reconstruido al evidenciarse problemas de suministro de componentes y materiales, así como del control de calidad en los procesos de fabricación. Con la experiencia adquirida, se inició el diseño y desarrollo de un aerogenerador de 2 kw denominado Fénix -por el ave que resurge de sus propias cenizas- de tres aspas fijas de lámina de hierro, el que sometido a pruebas y mejoras, evolucionó a tres aspas de fibra de vidrio de alta eficiencia aerodinámica, generador trifásico de imanes permanentes y sistema de control a base de timón de cola plegable, que lo mismo limita la potencia que lo inhabilita para condiciones de vientos extremos. Este pequeño aerogenerador es capaz de proporcionar del orden de 250 kwh por mes, lo que permitiría energizar una vivienda rural con todos los servicios eléctricos usados responsablemente. Este aerogenerador es también objeto de trámites de patentes y su transferencia a la industria está disponible. El Albatros I constituyó el mayor aerogenerador desarrollado en México, de 10 kw de potencia eléctrica, en base a un generador de imanes permanentes de 28 polos y rotor de tres aspas de 11 metros de diámetro, fue concebido para operar como aerobomba eléctrica, accionando en régimen de velocidad variable, una bomba eléctrica convencional, sumergida o vertical, de 7.5 a 10 HP, accionada con corriente trifásica a 220 Volts y frecuencia de 40 a 80 ciclos/segundo, dependiendo de la velocidad del viento. Del Albatros I se desarrollaron dos versiones, la aerobomba mecánica, con mecanismo de carrera variable, para optimar el aprovechamiento de la energía eólica en bombas de émbolo, y la eléctrica, trabajando en régimen de velocidad variable en la bomba, con el mismo fin, mejorar la eficiencia. Este desarrollo se inició con el apoyo económico y asesoría de VITA (Volunteers in Technical Assistance) organización no lucrativa de divulgación técnica de los Estados Unidos para países en vías de desarrollo, que recibió financiamiento de la Fundación General Electric para este proyecto. Los trabajos posteriores en el Albatros II, y el Itia se realizaron con fondos proporcionados por el Programa Mar del Plata de la Organización de Estados Americanos (OEA). Este financiamiento en periodo de devaluaciones permitió habilitar un taller móvil y la construcción de un Túnel de Viento en la sede del IIE en Temixco, Mor. Durante las pruebas de la versión eléctrica del Albatros I en El Gavillero, vientos enrachados estando en operación, provocaron la fractura de la estructura de aluminio de una aspavela, partiéndose a la mitad. La estructure del aspavela falló por errores en el proceso de soldadura al recalentar el larguero principal y degradar sus características de resistencia a la tracción, fracturándose con el esfuerzo. El dacrón importado, de alto costo y las dificultades constructivas de la estructura de la aspavela, llevó a reconsiderar el diseño del rotor. El Albatros II, se desarrollo también alrededor del concepto de la vela, sin usar una tela de alta resistencia, alto costo y de importación, sino un remedo semi rígido de fibra de vidrio, en que por torsión del aspa se varían las características aerodinámicas de la misma y se controla y limita la potencia transferida al rotor. Este aerogenerador, mucho más esbelto y sencillo, funcionaba bien en sus primeras pruebas operacionales. Antes de ser instrumentado para su caracterización, ya que en la Estación de El Gavillero se probaban simultáneamente otros dos aerogeneradores, -el Fénix de 2 kw y el Colibrí de 5 kw, el único aerogenerador fabricado y comercializado en México desde principios de los 80's-, lo impactó un gran remolino, estando parado y frenado, 63

77 levantando el conjunto de bastidor y rotor, de más de 600 kilos, al menos 30 centímetros para sacarlo del mecanismo de tornamesa que en la cúspide de la torre de 18 metros, permite la orientación del conjunto para darle la cara al viento cuando está en operación. La caída fue catastrófica, ya que el conjunto del rotor, de tres aspas y 11 metros de diámetro, con largueros de aluminio, fue totalmente destruido. El IIE elaboró los anteproyectos de un aerogenerador de 50 kw y de otro de 100 kw para ser montado en las inmediaciones de la Estación de El Gavillero junto a un pozo profundo donde se instaló una bomba de 100 HP. Proyecto que careció de respaldo económico para su ejecución. Los recortes presupuestales, obligaron a concentrarse nuevamente en pequeños aerogeneradores, desarrollándose el Avispa de 300 Watts, utilizando un alternador de automóvil, el que producido industrialmente con un generador de imanes permanentes sería nominalmente de 500 Watts. El Avispa resume la experiencia de más de una década diseñando, construyendo y probando aerogeneradores. Desde su diseño se consideraron tres criterios básicos, su confiabilidad y su reproducibilidad industrial a bajo costo. Este aerogenerador es objeto de patentes en trámite, por soluciones novedosas en los mecanismos de control y ensamble. El Avispa, equivalente ahora a seis paneles fotovoltaicos de 50 Watts pico, permitiría en una vivienda rural, energizar el alumbrado con lámparas fluorescentes compactas, el radio durante el día y una televisión en la noche, así como un pequeño refrigerador, ya que proporcionaría del orden de 50 kwh al mes, en condiciones adecuadas de viento (5 m/s de promedio anual). En el IIE se desarrollo también un pequeño aerogenerador de 50 Watts de 90 centímetros de diámetro, cuyo objetivo inicial era la recarga de las baterías automotrices usadas en energizar los anemómetros electrónicos con los que se realizaban los estudios del viento en los sitios de interés. Los anemómetros requerían al cabo de un mes de mediciones continuas que se reemplazaran las memorias y la batería por una recién cargada. La instalación de un pequeño aerogenerador en el mástil de los anemómetros mantendría permanentemente un nivel adecuado de carga en la batería. El desarrollo de la electrónica de estado sólido, permitió diseñar anemómetros electrónicos de muy bajo consumo eléctrico, siendo suficiente un par de pilas alcalinas para sustituir la batería automotriz. El Instituto de Investigaciones Eléctricas, ha sido la única institución que por veinte años ha mantenido una ruta consistente de desarrollo de sistemas conversores de energía eólica, lo que se complementó con el desarrollo de anemocinemógrafos electrónicos, sistemas de prueba y adquisición de datos, un túnel de viento con un sistema de adquisición de datos en tiempo real, un laboratorio móvil de meteorología eólica, un taller móvil y la Estación Experimental de El Gavillero, Hgo. Al lado de estas actividades, otras instituciones han incursionado en el desarrollo de sistemas conversores de energía eólica, como la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de México, que desarrolló el Ehecatl de 1 kw. El Instituto de Ingeniería de la UNAM junto con el Centro de Investigaciones Biológicas de Baja California Sur, que desarrollaron otro prototipo de 1 kw. Las Facultades de Ingeniería de la Universidad Veracruzana y de la Universidad de Zacatecas, han realizado como trabajo de tesis, prototipos de pequeños aerogeneradores, usando alternadores automotrices. A mediados de 1994 entró en operación en la Venta, Oaxaca, una central eoloeléctrica de 1,575 kw, constituida por 7 aerogeneradores Vestas (Daneses) de 225 kw cada uno, como resultado de una licitación pública convocada por CFE. Esta central, construida en un lugar donde el IIE realizó mediciones desde 1984 y ubicó el sitio como uno de los más ventosos en el Sur del Istmo de Tehuantepec, presenta factores de planta anuales del orden del 60%, cuando la media en Dinamarca y California es del orden del 25%. Esta minicentral 64

78 representa la primera experiencia para CFE de la interconexión de eoloeléctricas al sistema eléctrico interconectado. De cualquier manera, dado que los sistemas híbridos son por definición centralizados, es decir, proporcionan energía al usuario por medio de una red de distribución; falta definir el conocimiento preciso de las posibles ventajas que puedan presentar en comparación con los sistemas fotovoltaicos dispersos o distribuidos; este es un tema que debe ser analizado más profundamente antes de impulsar su desarrollo. El Instituto de Investigaciones Eléctricas inició en 1977 el análisis de la información meteorológica de México para determinar el potencial eólico nacional. Procesar los datos de la década de los 70's, de la información de los 67 observatorios con que contaba el SMN, fue un trabajo conjunto que ocupó varios años y sufrió un importante retraso por el terremoto del 85 que destruyó las computadoras de la Secretaría de Agricultura y las del SMN tuvieron que entrar en su apoyo. Para el SMN digitalizar los registros diarios de las observaciones meteorológicas de la década de los setentas, le llevó casi tres años de trabajo a mediados de los 80's, y al IIE otros tantos en depurar y procesar la información meteorológica del SMN, la que es importante para caracterizar cualitativamente el viento, su estacionalidad, rumbos dominantes, porcentaje de calmas, vientos dominantes y energéticos, pero no así para determinar el potencial energético eólico de un país REGIONES EOLOENERGÉTICAS El conocimiento del recurso energético eólico en México está a nivel exploratorio y de reconocimiento, sin embargo, las mediciones puntuales o de pequeñas redes anemométricas, realizadas principalmente por el IIE y algunas otras entidades o empresas, han servido para confirmar a nivel de prefactibilidad, la existencia de vientos técnicamente aprovechables y económicamente viables en las siguientes regiones: SUR DEL ISTMO DE TEHUANTEPEC. Esta región contiene un área del orden de 1000 km. cuadrados expuesta a vientos muy intensos, dado un fenómeno monzónico entre el Golfo de México y el Golfo de Tehuantepec, donde aflora una corriente marina anormalmente caliente, originando un gradiente térmico y de presión que da lugar a un intenso viento del norte desde el otoño hasta la primavera. Esta región, considerando la infraestructura eléctrica existente y otros usos del suelo podría asimilar una capacidad instalada del orden de los 2000 a 3000 MW, con un factor de planta medio de En las zonas más propicias, con factores de planta del 0.6 anual y de 0.9 o más en el otoño e invierno. En las inmediaciones del poblado de La Venta, Oaxaca, se instaló en 1994 la primera mini central eoloeléctrica en México, con una capacidad de 1,575 kw, constituida por siete aerogeneradores de 225 kw. PENÍNSULA DE BAJA CALIFORNIA. Esta península es interesante eoloenergéticamente, por varias razones, su extensión geográfica, su baja densidad poblacional y eléctricamente alimentada por sistemas aislados, cuando eólicamente es una barrera natural perpendicular a los vientos occidentales, que en sus montañas e innumerables pasos puede proporcionar muchos sitios con potencial explotable. El poblado de la Rumorosa y zonas aledañas, así como el paso entre la Sierra de Juárez y la Sierra de San Pedro Mártir, por donde cruza la carretera y la línea eléctrica de Ensenada a San Felipe en el Golfo de California, son regiones identificadas con alto potencial eólico, que son indicativas de lo que puede encontrarse en muchos otros lugares de la península. 65

79 PENÍNSULA DE YUCATÁN. La franca exposición de la península a los vientos alisios de primavera y verano, incrementados en su costa oriental por la brisa marina, y a los nortes en el invierno, hacen de Cabo Catoche, la costa de Quintana Roo y el oriente de Cozumel, zonas con potencial eólico interesante, para contribuir significativamente a los requerimientos de la península en apoyo de su generación termoeléctrica. ALTIPLANO NORTE. Desde la región central de Zacatecas a la frontera con los Estados Unidos, el norte del país se ve influenciado por la corriente de chorro de octubre a marzo, intensa y persistente, que como viento del poniente al impactar la Sierra Madre Occidental da lugar a innumerables sitios con potencial explotable. En la parte norte del estado de Coahuila existen áreas sumamente ventosas REGIÓN CENTRAL. En la región central del altiplano, prevalecen los vientos alisios de verano, desde Tlaxcala a Guanajuato, que en Pachuca, la bella airosa, son más conocidos. Estos vientos complementan estacionalmente, a los del altiplano norte y los del sur del Istmo de Tehuantepec. La complejidad orográfica de esta región, debe dar lugar a la existencia de innumerables pasos y mesetas donde el viento sea energéticamente aprovechable. LAS COSTAS DEL PAÍS. El extenso litoral mexicano y sus islas, presenta por lo menos condiciones para generación eléctrica en pequeña escala y almacenamiento en baterías, sistemas híbridos diesel-eólicos y en otros generación interconectada. La generación eoloeléctrica en gran escala en las costas para la producción de hidrógeno, constituirá una de las principales aplicaciones a mediados del próximo siglo. A mediados del próximo siglo, cuando las termoeléctricas a combustóleo y carbón sean historia, y la población en México se estabilice alrededor de los 130 millones de mexicanos, nuestro sistema eléctrico deberá alcanzar del orden de los 125,000 MW instalados, en esas condiciones, la energía eólica podrá contribuir con la generación eléctrica de el orden de 30,000 MW instalados de aerogeneradores, un gran porcentaje de ellos produciendo hidrógeno para centrales turbogas. La asimilación de una tecnología energética emergente corresponde a un proceso político social en el que la correlación de fuerzas se inclina hacia un cambio de paradigma, que hace posible la transición energética. La conciencia de la necesidad de diversificar los energéticos primarios para generación eléctrica, en un contexto de energías renovables, generación distribuida y administración de demanda, apenas empieza a permear en un medio donde las inercias son muy grandes. El sector eléctrico a escala mundial, es muy reticente a introducir cambios y ha sido a través de coacción gubernamental, modificando leyes y reglamentos, e incluso estableciendo sanciones, como se han podido inducir las transformaciones necesarias en el sector eléctrico. Lo que en este momento se puede esperar, es que dados los graves disturbios climatológicos a escala mundial que se están viviendo como consecuencia del cambio climático originado por actividades humanas, y el sector energético es el principal responsable de ello, se tomen a nivel internacional medidas promocionales a la difusión masiva de tecnologías de generación eléctrica a partir de energías renovables. Si al inicio de próxima década, México arrancara un enérgico programa de desarrollo de centrales eoloeléctricas, podría alcanzarse la cifra de 5000 MW para el 2010, aun así para entonces, más de mitad de la generación eléctrica en México, sería a partir de combustibles fósiles. Con el fin de establecer un escenario de referencia de contaminantes evitados, consideraremos un factor de planta anual ajustado medio de 0.3, lo cual significa una generación bruta anual de 1,314 GWh por cada 500 MW de capacidad eoloeléctrica instalada. La mitigación resultante se muestra en la siguiente tabla: 66

80 Tabla 1.10 Emisiones de CO 2 Evitadas por Año y Acumuladas al 2010 por Generación Eoloeléctrica Masiva Fuente: Secretaría de Energía SENER (2010) Si consideramos que para el año 2010, más del 50% de la capacidad instalada seguirá siendo de Termoeléctricas, las emisiones evitadas de CO 2 por generación Eoloeléctrica, habrán mitigado el orden de un sexto de las emisiones totales por generación termoeléctrica. Esta cifra es importante en el contexto de la generación eléctrica nacional, máxime si consideramos el efecto acumulativo de las emisiones de gases de efecto invernadero, y por lo tanto el efecto agregado de las emisiones evitadas. La instalación de 5,000 MW eoloeléctricos al año 2010, instalando a razón de 500 MW por año, implicaría para el 2011 una generación anual de 13,140 GWh de origen eólico, lo que evitaría por año, consumir 17.4 millones de metros cúbicos de agua y lanzar a la atmósfera 4.6 millones de toneladas de CO 2, considerando desplazamiento de gas natural únicamente. El desarrollo de la capacidad de generación eléctrica con ciclos combinados a base de gas natural, puede ir montando la capacidad instalada para utilizar hidrógeno como combustible, ya que capacidad adicional de generación eléctrica con energía eólica, solar y oceánica (Olas, maremotriz y de corrientes) dada su naturaleza no despachable e intermitente, si pueden ser ampliamente utilizadas para generar hidrógeno vía procesos electrolíticos, el que bombeado al altiplano será fuente de energía y agua potable. El esfuerzo tecnológico industrial para la instalación de 5000 MW eólicos al año 2010, no terminaría ahí, sino que sentaría las bases para continuar con un mayor énfasis, considerando que el tope de capacidad instalada eoloeléctrica, a mediados del próximo siglo, será del orden de la capacidad total instalada a la fecha en el Sistema Eléctrico Nacional, es decir, alrededor de 30,000 MW. 67

81 AÑO POTENCIA INSTALADA ACUMULADA MW Finales del MW Mediados del siglo MW Tabla 1.11 Potencia de Energía Eólica Acumulada para México Fuente: Secretaría de Energía SENER (2010) La apertura del Sector Eléctrico a la participación privada, social, y municipal a la generación eléctrica para autoabastecimiento, cogeneración y pequeña producción independiente, permitirá efectivamente la inclusión masiva del aprovechamiento de fuentes renovables de energía, cuyo carácter difuso y de baja densidad, las hacen adecuadas para las explotaciones distribuidas, orientadas básicamente a la solución de problemas de abasto energético local. Solo la masividad de estos aprovechamientos les puede dar sentido en términos de oferta nacional de energía, y en el caso particular de la energía eólica, sólo la masividad y dispersión de las Centrales Eoloeléctricas integradas al Sistema Nacional Interconectado, puede tener sentido en términos de aportación confiable de energía y capacidad al Sistema Eléctrico Nacional. Por lo anterior, el escenario de penetración eoloeléctrica a considerar, es el único con racionalidad energética, técnica y económica: el de llevarla al menos al 10% de la capacidad instalada del Sistema Eléctrico Nacional. Lograr esta penetración para el año 2010 requiere de un esfuerzo extraordinario, tanto industrial para la construcción de partes y componentes, así como de exploración, caracterización y evaluación de sitios de explotación, y finalmente el proyecto, construcción y montaje de Centrales Eoloeléctricas a razón de 500 MW por año, desde el Esto implica que, de 1998 al 2001, se tomen todas las provisiones legales, reglamentarias, fiscales, financieras, normativas, tarifarias, ambientales, operacionales, institucionales, y fundamentalmente estratégicas y de planeación, para que esto pueda ser posible. El Centro de Investigación en Energía de la UNAM propuso que las energías renovables son la solución al problema energético del país y al desarrollo sustentable, y mencionó que para el año 2015, México cuente con el 18 por ciento de su energía eléctrica, provenientes de energías renovables. 18% 15% 12% 9% 6% 3% 0% 18% 10% Gráfica 1.31 Necesidad Cubierta por la Energía Eólica Fuente: Secretaría de Energía SENER (2010) Según pronósticos a 20 años, se espera que los costos de las energías limpias se reduzcan en un 15 por ciento por el escalamiento de la tecnología y hasta un 60 por ciento de la reducción de los costos por investigación, desarrollo e innovación, todo eso sumado al 25 por ciento del costo que se dará gracias a la producción en serie. 68

82 La energía eólica es una atractiva alternativa renovable de generación eléctrica, que ha tenido un desarrollo considerable en los países desarrollados. No obstante, este avance vertiginoso puede traer consecuencias desfavorables de las cuales no se habla comúnmente. México posee amplio potencial para desarrollar la generación de energía eoloeléctrica, con más de 40,000 MW. La región del Istmo de Tehuantepec en el estado de Oaxaca es un sitio excepcional, con velocidades superiores a 6.5 m/s y un potencial estimado de más de 15,000 MW. A la planta existente de 1.5 MW se le añadirá una de 83 MW, actualmente en construcción, y se espera tener hacia 2014, una capacidad adicional de 588 MW. El desarrollo sostenible ha sido empleado desde hace más de 30 años en un esfuerzo de integrar todo tipo de necesidades dispares, como la erradicación de la pobreza, el desarrollo económico, el mejoramiento de las leyes y normas que afectan a la sociedad o para la conservación o restauración de los recursos naturales, previamente dañados por actividades del hombre. La energía eólica es al mismo tiempo una solución y una opción para el desarrollo sostenible. Por un lado hace posible que el desarrollo siga el modelo de sostenibilidad y por otro es una importante fuente que no contribuye a la contaminación del aire ni origina grandes daños al ambiente. El desarrollo energético sostenible será muy difícil aspirar si no se pasa por estrategias energéticas sostenibles. Las tendencias energéticas actuales como las energías renovables crean propuestas para lograr a las metas del desarrollo sostenible. Para lograr una nueva propuesta energética se tiene que contemplar: Uso eficiente de la energía, en especial por parte del consumidor final Aumento del uso de las fuentes de energía renovables Uso de nueva tecnologías para reducir el consumo de combustibles fósiles. El desarrollo sostenible es indispensable para que la humanidad pueda lograr un mundo duradero. La pobreza es uno de los problemas mayores y más urgente del mundo. El vínculo pobreza-energía no ha sido suficientemente atendido a pesar de que la energía tiene una importancia vital para satisfacer las necesidades básicas de la humanidad, en particular, nutrición y salud. Un gran número de personas no disfruta de los beneficios de las fuentes de energía y aparatos modernos. La energía eólica en México. Las proyecciones de expansión de la red de transmisión, así como la generación de energía eléctrica en México, es uno de los temas más importantes de la agenda energética en el país. México enfrenta hoy un problema a futuro: los combustibles fósiles. La explotación de estos no ha podido ser a un ritmo adecuado para el crecimiento económico y a la par de la preservación del medio ambiente. La construcción y planeación mayoritaria de plantas de ciclo combinado para afrontar la demanda energética próxima complica seriamente la diversidad energética. Con respecto al gas natural, no alcanza a satisfacer la demanda interna, la mayoría de su uso proviene de la importación. Los precios volátiles en el mercado han provocado continuamente un déficit presupuestal que conlleva a una inestabilidad económica. Las opciones renovables en México, constituyen una alternativa sustancial en la búsqueda de tecnologías para la demanda futura. Para la agenda del sector público de Comisión Federal de Electricidad existen varios proyectos de este tipo que ayudarían a crear energías sostenibles. Cabe destacar que la reestructuración del sector energético ha desembocado en la participación cada vez mayor de la inversión privada nacional y extranjera bajo diferentes esquemas, promoviendo así la construcción y ampliación del servicio eléctrico nacional. 69

83 La energía eólica en México, inició con una serie de proyectos experimentales, de los cuales se recabó información como la constitución del mapa eólico nacional, reconociendo las zonas de la región del Istmo de Tehuantepec, Las penínsulas de Baja California y Yucatán, la región central de Zacatecas, la región del altiplano y las costas como zonas afines para su explotación. De este estudio se ha evaluado que se tiene un potencial técnico y económicamente aprovechable, según Comisión Federal de Energía, sólo para la zona de Oaxaca superior a los 5000 MW, mientras que estudios del Gobierno de Oaxaca en conjunto con el Instituto de investigaciones eléctricas y la National Renewable Energy Laboratory (NREL) hablan de 33,000 MW. El Istmo de Tehuantepec alberga los proyectos de La Venta I y La Venta II, esta región está comprendida dentro de los estados de Veracruz, Oaxaca, Tabasco y Chiapas. Es la zona continental más estrecha de la República Mexicana. Es reconocida, históricamente, como un área estratégica de la economía global dado su alto potencial para reducir los costos de transportación de materia prima como de manufactura a los mercados de Asia, Estados Unidos y Europa, así como su basta biodiversidad. La región alberga bosques y selvas tropicales, de los más importantes de México, uno de los yacimientos de hierro más grande y la mayor disponibilidad de agua del país, en sus litorales se extrae gran cantidad de la producción de petróleo. Se le considera una zona con alto potencial eólico en el mundo en la cual se estiman valores de las velocidades del viento en el estado de Oaxaca de 6.1 a superiores de 8.5 [m/s] en una superficie de 8800km 2. La comunidad de La Venta, Oaxaca, es una de las zonas de mayor crecimiento eólico esperado. La proyección a futuro de la región considera la construcción de las plantas La Venta II con una capacidad nominal de 85 MW, La Venta III, IV, V, VI y VII (en proyección) con una capacidad cada una de 101 MW. Estas plantas suponen un gran avance en la generación, con 592 MW, que equivaldrían al 2.6% de la red nacional. Se muestran a continuación los proyectos eólicos que se han instalado actualmente y los que se instalarán en el futuro: 70 Tabla 1.12 Proyectos Eólicos Comprometidos para México Fuente: Secretaría de Energía del Informe Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables (2010)

84 Tabla 1.13 Proyectos Eólicos Potenciales para México Fuente: Secretaría de Energía del Informe Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables (2010) Los costos de los sistemas de conversión eólica se han reducido un 50% entre 1992 y Actualmente los costos típicos de inversión de la energía eléctrica útil de los sistemas eólicos van desde $9,800 a $15,300 por kw instalado, y los costos típicos de generación son de $0.37 a $0.43 por kwh generado. CONCLUSIONES El Sol es el responsable de generar los flujos de viento presentes en la Tierra y, por consiguiente, la energía eólica. La potencia que ejerce el viento es proporcional al cubo de su velocidad. La Turbina Eólica es el dispositivo mecánico que convierte la energía del viento en electricidad, cuyos elementos principales son: el rotor, caja de engranes, generador y la torre. Estados Unidos (25369 MW acumulados), Alemania (23902 MW acumulados) y España (16740 MW acumulados) y a finales del año 2008 son los países con mayor producción de energía eólica en el planeta. México cuenta con una potencia instalada acumulada de MW a finales del año 2008 pero se prevé que para finales del 2010 se tengan 5000 MW. Imagen Fuente: Secretaría de Energía del Informe Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables (2010) 71

85 72

86 INTRODUCCIÓN En este capítulo se da a conocer el lugar donde se va a llevar a cabo el estudio del potencial eólico y solar. Se plantea y se describe el método de Weibull, el cual va a ser de utilidad en el análisis y en la obtención del potencial eólico. Se introducen los conceptos de radiación, irradiancia e irradiación para poder comprender mejor la metodología que determina el potencial solar, se define el concepto de horas de pico de sol, parámetro esencial que interviene en el dimensionado de las instalaciones fotovoltaicas, y los instrumentos de medida de la irradiación. EL CONEJO, VER. La localidad de El Conejo está situada en el municipio de Perote (estado de Veracruz) a una altura de 3140 m sobre el nivel del mar y su territorio se encuentra dentro del Parque Nacional Cofre de Perote en la cara que mira hacia el altiplano de la región central del estado de Veracruz. Las coordenadas geográficas de esta localidad son N W Imagen Fuente: (2009) Vista más cercana de la localidad de El Conejo, Ver. Imagen Fuente: (2009) 73

87 Tiene 996 habitantes, cuya población se dedica en gran medida al cultivo de la papa y la explotación de los recursos forestales. CASA U.V. EL CONEJO Imagen Fuente: (2006) Es una de las iniciativas en materia de desarrollo comunitario a través de un equipo que conjunta a pasantes, estudiantes en servicio social, académicos y gestores de la Universidad Veracruzana. La Casa de la Universidad en El Conejo es la más reciente del proyecto Centro Comunitario de Aprendizajes Múltiples que le ha valido cuatro premios nacionales de manera consecutiva a la UV, donde la vinculación se entiende como principio y propósito esencial de la docencia, la investigación y la extensión. La construcción del edificio, ha sido diseñada con base en las tradiciones arquitectónicas de la región y atiende las extremas condiciones climáticas. Incluye áreas para laboratorios de análisis clínico y ambiental, consultorios, aula de capacitación, albergue de brigadistas y un aula de usos múltiples. Imagen Fuente: (2006) A continuación se muestran los contornos de la construcción de la Casa U.V. Imagen Fuente: Elaboración Propia (2010) 74

88 REPRESENTACIÓN ESTADÍSTICA DEL VIENTO Dadas las características tan dispersas y aleatorias de la energía eólica, la única manera de estudiar si un emplazamiento es adecuado o no, es utilizando la estadística. Para ello se recurre a la representación de la velocidad del viento como una variable aleatoria con una cierta función de distribución. Para ello, se recurre al análisis de Weibull, el cual es un método para estimar una probabilidad basada en datos medidos o asumidos. La distribución de Weibull descubierta por el sueco Walodi Weibull, fue anunciada por primera vez en un escrito en El método de Weibull, aplicada a la determinación del potencial eólico, consiste en determinar la confiabilidad de que una cierta velocidad del viento se produzca o la confianza de que un cierto intervalo se presente a lo largo de un tiempo determinado. La función de densidad de probabilidad de Weibull es: P v k c v c k 1 e k v c.(ec. 2.1) Donde: k = Factor de forma (adimensional) c = Factor de escala (m/s) v = Velocidad del viento promedio Dependiendo del valor k es la forma que se obtendrá al graficar la Función de Probabilidad De Weibull: Gráfica 2.1 Formas de la Función de Probabilidad de Weibull dependiendo el valor k Fuete: Atlas de Recursos Eólicos del Estado de Oaxaca. Laboratorio Nacional de Energía renovable 75

89 Con el método de la varianza se determina el valor de k (factor de forma), cuyas expresiones son: k 1.05V k 0.94V k 0.73V 0.5 m 0.5 m 0.5 m Varianza Baja Varianza Media Varianza Alta.(ec. 2.2) Donde: V m = Velocidad promedio Se obtienen tres factores k debido a la varianza (forma natural de medir la dispersión de las lecturas analizadas). Es por ello que se tiene una k alta cuando la varianza es pequeña a un valor medio, una k media cuando la varianza no está tan alejada del valor medio y una k baja cuando los valores están muy separados del valor medio. Dependiendo del valor k se puede determinar las características del viento, siempre y cuando la velocidad promedio sea igual o mayor a 3 m/s, la cual se muestra en la siguiente tabla: Tabla 2.1 Rangos de k y Descripción Cualitativa del Viento Asociado Fuete: Atlas de Recursos Eólicos del Estado de Oaxaca. Laboratorio Nacional de Energía renovable El factor de escala c queda determinado por la expresión: c C V C x C x m 2 C x 3 3 C x 4 4, donde 1 x k.(ec. 2.3) Donde: C 0 = C 1 = C 2 = C 3 = C 4 =

90 Una vez determinado el factor de forma k y el factor de escala c se procede a encontrar la función de densidad de probabilidad de Weibull por medio de la ec.1 ya antes mencionada. El resultado obtenido es la probabilidad de que la magnitud de la velocidad promedio se presente en el lapso de un año. La gráfica de la función de probabilidad de Weibull queda determinada a través de calcular la probabilidad de un cierto rango de valores de velocidades de viento en el cual quede incluida la velocidad del viento promedio analizada. Gráfica 2.2 Representación Gráfica de la Densidad de Probabilidad de Weibul Fuente: (2008) Donde: V 0 V 20 = rango de velocidades del viento V m = Velocidad promedio analizada El área bajo la curva de la gráfica representa la probabilidad del 100% (un año) pero si se desea saber la probabilidad de que se presente un cierto intervalo de velocidades se debe determinar el área bajo la curva de dicho intervalo. Si se requiere determinar la probabilidad de que se presenten velocidades de viento mayores a una velocidad de referencia determinada se recurre a la expresión: P v v x e v x c k....(ec. 2.4) Donde: V x = Velocidad de referencia Se hace la aclaración que para el análisis de Weibull se obtienen tres factores de k, tres factores de c, tres probabilidades de Weibull y tres gráficas debido a la varianza que se pueden tener en los datos analizados, es decir, se obtiene la probabilidad de Weibull para una varianza baja, una varianza media y una varianza alta. ANÁLISIS PARA DETERMINAR EL POTENCIAL EÓLICO EN LA CASA U.V. DE EL CONEJO Para determinar la factibilidad del potencial eólico en la Casa U.V. El conejo, fue necesario recabar las lecturas de la velocidad del viento de la pequeña estación meteorológica ubicada en dicho lugar. Esto fue posible gracias a la aportación de los datos por parte del Dr. Lázaro Rafael Sánchez Velásquez (director) y el Biólogo 77

91 Rogelio Lara encargados del Instituto de Biotecnología y Ecología Aplicada (INBIOTECA) de la Universidad Veracruzana. Los datos obtenidos comprenden los años 2005, 2006, 2007 y 2008, haciendo la aclaración que en cada año no se cuenta con un registro completo anual, es decir, solo se tiene información de unos cuantos meses. Las lecturas faltantes, así como el registro del año 2009, no fue posible tenerlas debido a causas de la estación meteorológica. El análisis de la velocidad del viento se llevó a cabo de la siguiente manera: 1. Se calculó el promedio de la velocidad del viento por mes para los diferentes y cada uno de los años. Después se promediaron los mismos meses de los diferentes años (enero enero 2008, febrero 2005 febrero 2008, marzo 2005 marzo 2008,, etc.) para obtener al final un promedio anual. Los meses de Agosto y Septiembre no se tomaron en cuenta para sacar el promedio anual debido a que no se tienen registro de velocidad del viento en esos meses. Tabla 2.2 Velocidad del Viento presente en la Comunidad de El Conejo, Ver. (Años ) Fuente: Elaboración Propia (2010) Tabla 2.3 Velocidad Promedio Anual del Viento en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) 2. La dirección del viento predominante se obtuvo mensualmente (para los diferentes años y un promedio general) para poder tener una visión más general del comportamiento de la dirección del aire, en base a esto, se pudo determinar el rango de direcciones que usualmente se presenta en un año. Tabla 2.4 Dirección del Viento Predominante en la Localidad de El Conejo, Ver. (Año ) Fuente: Elaboración Propia (2010) 78

92 Imagen Fuente: Elaboración Propia (2010) 3. Con el promedio anual obtenido de 3.62 m/s se procede a determinar el método de Weibull. a. Se determinan los valores del factor de forma k para cada varianza (baja, media y alta) utilizando la ecuación 2. Operaciones: k 1.05 k Varianza Baja Varianza Varianza Alta k Media Tabla 2.5 Valores del Factor k Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) b. En base a la ecuación 3 se determina el factor de escala c para las diferentes varianzas. Operaciones: Varianza Baja : x c c Varianza Media : 1 x c c

93 Varianza Alta 1 x c c Tabla 2.6 Valores del Factor c Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) c. Con los factores k y c obtenidos se procede a determinar la función de densidad de probabilidad de Weibull (ecuación 1), la cual es la siguiente: Operaciones: P( v) P( v) P( v) e e e Varianza Baja Varianza Media Varianza Alta Tabla 2.7 Valores de la Densidad de Probabilidad P(v) Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) Con estos resultados se llega a la conclusión que la velocidad promedio del viento (3.62 m/s) va a estar presente en un rango del 14 al % (51 72 días) de todo el año. d. Las gráficas de la densidad de probabilidad se elabora a partir de una tabla en la cual también se incluye la velocidad promedio. 80

94 Tabla 2.8 Valores de la Densidad de Probabilidad P(v) para diferentes Velocidades del Viento Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) Gráfica 2.3 Densidad de Probabilidad de Weibul Varianza Baja. Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) Gráfica 2.4 Densidad de Probabilidad de Weibul Varianza Media. Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) 81

95 Gráfica 2.5 Densidad de Probabilidad de Weibul Varianza Alta. Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) El área bajo la curva representa a todos los datos de la velocidad del viento que fueron analizados (100%,) y si se quisiera saber la probabilidad de que ocurra un cierto intervalo de velocidad del viento se procede a sumar las probabilidades de la tabla para dicho intervalo. Ejemplo: Probabilidad de un intervalo de m/s = 67.65% Varianza baja = 64.25% Varianza media = 56.33% Varianza alta e. Otro aspecto importante es determinar la probabilidad de que se presente cierta velocidad del viento a partir de una velocidad determinada (tomada como referencia), es por ello que a continuación se muestra la tabla que determina estas probabilidades y se determinan con la ecuación 4. Tabla 2.9 Probabilidad de que se Presenten Vientos Mayores a una Velocidad de Referencia. Análisis para el Potencial Eólico en la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Elaboración Propia (2010) 82

96 Por ejemplo, si para el proyecto se requiere una velocidad mínima de 4 m/s para que funcione un aerogenerador, se tendrá la probabilidad de que éste entrará en operación entre el % % de todo el año. Si un año consta de 365 días, el aerogenerador probablemente operará en el rango de 132 a 140 días. Con ayuda del método de Weibull (descrito anteriormente), se logró determinar la probabilidad en términos de porcentaje, del tiempo estimado que se presentará una cierta velocidad del viento durante el transcurso del año. Misma que servirá para seleccionar un aerogenerador adecuado que cumpla con los requerimientos necesarios para dar sustento eléctrico a la Casa U.V. de El Conejo. IRRADIACIÓN SOLAR La energía irradiada por el Sol, transportada por un haz de radiación solar (R) representa la energía radiante compuesta fundamentalmente por ondas electromagnéticas cuyas longitudes de onda pertenecen a los rangos (llamados de onda corta): ultravioleta, visible e infrarrojo cercano. Sus unidades son de energía: joules (j), watt-hora (wh), Btu, etc. Imagen Fuente: Atlas Solar de la República Mexicana. Textos Universitarios (1988) Al haz de energía radiante emitido, transportado o incidente durante cierto tiempo, se le ha llamado de varias maneras: flujo de energía solar radiante, flujo de radiación solar, intensidad de la radiación solar o potencia solar (P). E P t (joule/seg watt) 83

97 A la potencia solar (P) considerada en cierta superficie irradiada se la llama densidad del flujo de radiación solar, densidad de potencia solar o irradiancia solar (I): P I A 2 2 (watt/m, watt/cm ) A la energía radiante que se totaliza durante un cierto tiempo en un área determinada se le llama irradiación solar Q (unidades de energía/unidades de área), resultando interesante en algunas ocasiones indicar colateralmente el periodo comprendido para su totalización, como lo es cuando se cuantifica la energía solar recibida a nivel del suelo por unidad de área durante el lapso diurno de un día específico (watt-hora/m 2 -día) A la irradiación Q generalmente se la asocian periodos de totalización tales como el minuto, la hora, el mes o el año. CONCEPTO Radiación Irradiancia Irradiación DESCRIPCIÓN Energía en tránsito (energía radiante) emitida por la fuente que irradia, en esta caso del Sol, en todas direcciones, sus unidades son: joules o calorías o watthora. Potencia de la radiación en cierta superficie o zona. Es la energía instantánea que se emite o incide en cierta superficie o zona; sus unidades son: watt/m 2 Energía que en forma de radiación se integra o totaliza durante cierto tiempo en un superficie o zona, sus unidades son joules/m 2 o cal/cm 2 (llamado langley: ly) o kwatt-hora/m 2. Es frecuente anexar a las unidades de irradiación el periodo durante el cual ésta se totalizó, en cuyo caso, se expresa por ejemplo como: cal/cm 2 -min (o ly/min), cal/cm 2 -hora, cal/cm 2 -día, kjoule/m 2 -mes, kwatt-hora/m 2 -año, etc. Tabla 2.10: Conceptos de Radiación, Irradiancia e Irradiación Fuente: Atlas Solar de la República Mexicana. Textos Universitarios (1988) HORAS DE PICO DE SOL (HPS) Creemos conveniente llamar soleamiento S al tiempo con disponibilidad de Sol directo. Sugerimos soleamiento y no asoleamiento, dado que asolear implica la acción de sacar al Sol algún objeto, mientras que soleado denota la acción directa del Sol sobre cierto entorno. El término de uso común como resolana deberá interpretarse como la acción indirecta del Sol sobre alguna superficie o entorno. En la conversión fotovoltaica de la irradiación solar, se recurre con frecuencia al concepto de horaspico, denotando este término una simplificación gráfica de la totalización de la energía solar recibida durante un día. En lugar de cuantificar el área bajo la curva característica del soleamiento diario, ésta se reconfigura a un rectángulo que tenga como altura límite (pico), la potencia equivalente a 1 kwatt/m 2 y por base el periodo que resulte en horas y fracciones. El producto de la potencia por el tiempo de al número de kwatt-hora disponibles en el sitio. Así, las horas-pico representan el número de horas en las que la potencia solar se puede considerar con un valor teórico constante de 1 kwatt. 84

98 Imagen Fuente: Atlas Solar de la República Mexicana. Textos Universitarios (1988) Las curvas de la izquierda de las gráficas anteriores muestran la distribución de la irradiancia instantánea en dos sitios del país a lo largo de un día. En cada caso, el área bajo la curva (que representa la irradiación), se obtiene integrando la irradiante en el tiempo (desde que sale hasta que se pone el Sol). En las gráficas de la derecha, las curvas se han reformado en rectángulos cuya altura es de 1 kwatt/m 2, y comprendiendo la misma área (la misma irradiación). El hacer esta reconfiguración permite medir el número de horas (ficticias) en que la irradiancia presentaría un valor pico de 1 kwatt/m 2. Este concepto es muy usado en el cálculo de sistemas solares fotovoltaicos. Este parámetro fundamental que interviene en el dimensionado de las instalaciones corresponde al número de horas en las que cada metro cuadrado de superficie captadora obtiene de modo constante 1000 W de energía. La media diaria que cumple tal condición está situada entre tres y seis horas, dependiendo del lugar de ubicación de los paneles. Por ejemplo, en el sur español (Málaga, Sevilla, Cádiz, por ejemplo) la media de horas de sol es de seis, y en el norte, por ejemplo en Asturias, Cantabria, Navarra, el valor queda reducido a 3.5 horas. En la figura se muestra un ejemplo de lo indicado que, desde la salida del sol al ocaso, la franja en que se cumple la obtención del indicador valor de 1000 W/m 2 se extiende desde las 10 a las 14 hrs. 85

99 Imagen Fuente: Atlas Solar de la República Mexicana. Textos Universitarios (1988) INSTRUMENTOS DE MEDIDA DE LA RADIACIÓN SOLAR Los parámetros de la radiación solar se cuantifican mediante un conjunto de instrumentos destinados a diferentes situaciones. Algunos de ellos son los indicados a continuación. Piranómetro. Instrumento que mide el flujo solar global correspondiente a los rayos directos y dispersos que se reciben en todas las direcciones. Es un instrumento sencillo que no requiere la incorporación de mecanismos de seguimiento solar. El piranómetro se sitúa en posición horizontal para que el hemisferio del instrumento cubre todo el firmamento. Imagen Fuente: Pirheliómetro. Instrumento que mide el flujo solar directo, aunque para ello tiene que estar situado sobre un sistema de seguimiento solar. Dispone de una cubierta colimada y una de sus caras debe estar de modo permanente con la norma de los rayos del Sol. Imagen Fuente: Heliógrafo. Instrumento que mide la radiación solar durante el tiempo transcurrido entre la salida y la puesta del sol, pero a partir de un umbral determinado expresado en W/m 2 86

100 Imagen Fuente: Albedómetro. Instrumento destinado a la medida de la radiación difusa, para lo que incorpora una pantalla que oculta la radiación solar directa. Imagen Fuente: Medidor de Irradiación. Instrumento destinado a medir la irradiación representativa de la densidad de potencia que incide sobre una superficie, con expresión en W/m 2. Incorpora una célula calibrada de amplio espectro como elemento de captación de la energía solar y un instrumento de medida, que puede ser del tipo analógico. Imagen Fuente: Libro Guía del Instalador de Energías Renovables. Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización Tomás P. Benito. Editorial Limusa, S.A. de C.V. Grupo Noriega Editores. Edición México. ANÁLISIS PARA DETERMINAR EL POTENCIAL SOLAR EN LA CASA U.V. DE EL CONEJO Para poder determinar el potencial solar de El Conejo es necesario contar con los datos medidos de irradiación solar de esa localidad. Debido a que no se cuentan con dichos datos fue necesario recurrir a fuentes externas para poder determinar el potencial solar. Una de las fuentes consultadas fueron los Mapas de Irradiación Solar publicados en los Textos Universitarios, las cuales fueron: Atlas Climático del Estado de Veracruz Adalberto Tejeda Martínez, Federico Acevedo y Ernesto Jáuregui Universidad Veracruzana 87

101 Atlas Solar de la República Mexicana Eduardo Hernández H., Adalberto Tejeda Martínez y Susana Reyes T. Universidad Veracruzana y Universidad de Colima De estos textos consultados se pudieron extraer el promedio mensual y anual de la irradiación global. Esto se observa en la siguiente Tabla: MES IRRADIACIÓN GLOBAL ANUAL (kwatt-hora/m 2 -día) Enero 4 Febrero 4 Marzo 4 Abril 6 Mayo 6 Junio 6 Julio 5 Agosto 5 Septiembre 5 Octubre 4.5 Noviembre 4.5 Diciembre 4.5 PROMEDIO ANUAL Tabla 2.11 Irradiación Global Anual para la Comunidad de El Conejo, Ver. Fuente: Atlas Climático del Estado de Veracruz. Adalberto Tejeda Martínez, Federico Acevedo y Ernesto Jáuregui. Universidad Veracruzana (1998) Irradiación Global Anual: kw-h/m 2 - día CONCLUSIÓN DEL POTENCIAL EÓLICO Y SOLAR La velocidad del viento promedio presente en todo el año es de 3.62 m/s Las direcciones presentes en todo el año van dentro del rango de Oeste Este siendo las más predominantes la Nornoroeste y Norte. La probabilidad, de acuerdo al método de Weibull, para que se presente esta velocidad promedio en el año está en el rango de %. Es decir, que de los 365 días del año, se tiene la probabilidad de que esta velocidad promedio esté presente en el rango de días en ese mismo lapso de tiempo. Para poder determinar el funcionamiento adecuado en el mayor tiempo posible de un aerogenerador, se deben tomar en cuenta los datos y resultados de las tablas anteriores. La irradiación promedio anual para la localidad de El Conejo es Kw-h/m 2 -día. Se puede observar que en primavera se cuenta con la mayor irradiación solar (6 Kw-h/m 2 -día), seguida por verano (5 Kw-h/m 2 -día), otoño (4.5 Kw-h/m 2 -día) e invierno (4 Kw-h/m 2 -día). La energía obtenida a partir de éste potencial solar va a quedar determinada en gran medida de la eficiencia del panel solar instalado. 88

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103 INTRODUCCIÓN En el capítulo anterior se determinaron los potenciales eólico y solar presentes en la comunidad de El Conejo, pero es necesario determinar si dichos potenciales son factibles para implementar tecnologías renovables. Es por ello que en este capítulo se mostrará la factibilidad de los potenciales obtenidos anteriormente. En el caso del potencial eólico se muestra la clasificación de la potencia del viento que determina su factibilidad, así mismo se compara la velocidad promedio de la comunidad con otras regiones eoloenergéticas de México, mientras que para demostrar la factibilidad del potencial solar se hace una comparación con otros sitios del mundo y de México catalogados como lugares con buena irradiación solar. CLASIFICACIÓN DE LA POTENCIA DEL VIENTO Con velocidades promedio anuales mayores a 5 m/s se puede generar electricidad a medianas y altas capacidades de modo que el precio por kwh llegue a ser competitivo con la electricidad generada en plantas convencionales. La Tabla siguiente muestra las clasificaciones de la potencia del viento para aplicaciones a escala comercial. Las áreas de recurso eólico de Clase 4 y mayores se consideran adecuadas para el desarrollo de energía eólica a escala comercial. Tabla 3.1 Clasificación de la Potencia del Viento Fuete: Atlas de Recursos Eólicos del Estado de Oaxaca. Laboratorio Nacional de Energía renovable Las aplicaciones rurales o fuera de la red requieren de un menor recurso eólico para que un proyecto sea viable. Para estos tipos de aplicaciones, los recursos de Clase 1, y mayores pueden ser suficientes para un desarrollo eoloeléctrico viable, aunque también puede considerarse a partir de la Clase 2 en adelante para tener una mayor viabilidad para el desarrollo eoloeléctrico. Aunque se considera que la energía eólica es aprovechable para velocidades promedio de viento mayores de 5 m/s, en regiones con velocidad promedio anual de viento de 2 a 3 m/s se pueden usar pequeños aerogeneradores en aplicaciones de cargas pequeñas de bombeo de agua y electricidad doméstica. Otras fuentes estiman que la energía eólica es aprovechable para velocidades promedio anual de de 3 a 4 m/s pueden impulsar pequeños aerogeneradores para cargas domésticas. 90

104 COMPARACION DE VELOCIDADES DEL VIENTO EN VARIAS REGIONES EOLOENERGÉTICAS DE MÉXICO Oaxaca Las áreas con el mejor recurso eólico de Oaxaca se concentran en la región sureste del estado, principalmente en la parte sur del Istmo de Tehuantepec. La región con recurso eólico del Istmo se extiende desde la costa hacia el norte aproximadamente 60 km y aproximadamente 60 a 80 km de este a oeste. Existe un excelente recurso eólico (Clase 5 y superior) generalizado en la región del Istmo. El mayor recurso (Clase 7) del Istmo ocurre cerca de las colinas (incluyendo La Mata, La Venta y La Ventosa), cordilleras y en la costa. Los fuertes vientos del norte son frecuentes en la región del Istmo, particularmente durante la temporada pico de viento de noviembre a febrero. Los datos de alta calidad procedentes de sitios de medición en el Istmo confirman el excelente potencial del recurso eólico en áreas específicas de la región tales como La Mata, La Venta y La Ventosa cerca de las colinas y de la costa. Algunas otras regiones de Oaxaca para las que se estima que el recurso es de bueno a excelente se localizan en áreas específicas de la parte noroeste, centro y sur de Oaxaca. En todas estas regiones se estima que las mejores áreas son aquellas donde las características del terreno canalizan y/o aceleran los vientos del noreste. La temporada pico de viento es de octubre a febrero, cuando los vientos del noreste son más fuertes y más dominantes. En el noroeste de Oaxaca se localizan notables áreas con altos recursos al este y al norte de Huajuapan de León. La zona con mayor concentración de recurso de Clase 4 y Clase 5 es un área de las planicies y de las colinas en las inmediaciones de Santiago Chazumba, aproximadamente 50 km al norte de Huajuapan de León. Esta zona parece ser parte de un amplio paso que canaliza y acelera los vientos del noreste. Las elevaciones en el área del paso varían entre 1800 m y 2200 m. En un área de 30 km al este y oeste de este paso, las elevaciones bajan a 1200 m o menos. En la parte central de Oaxaca, las áreas más notables se localizan aproximadamente km al este de la ciudad de Oaxaca (cerca de Mitla). Aquí los vientos del noreste parecen acelerarse sobre las relativamente bajas cordilleras al norte y este de Mitla a medida que son desviados alrededor del extremo sur de las montañas altas de la Sierra de Oaxaca. En el sur de Oaxaca, las áreas de altos recursos se localizan aproximadamente de km al sur de la ciudad de Oaxaca cerca de Miahuatlán. Los vientos del noreste parecen acelerarse sobre las relativamente bajas cordilleras al sur y oeste de Miahuatlán a medida que se desvían alrededor del extremo oeste de las altas montañas de la Sierra Madre del Sur. Baja California Existe una elevada concentración de recursos eólicos en el Estado de Baja California, donde las mejores condiciones de viento se encuentran a lo largo de la Sierra de Juárez, en especial en la región de La Rumorosa. Si bien, los estudios de US DOE NREL señalan que existe un potencial de 500-1,800 MW de generación eólica en el estado de Baja California, otros estudios sugieren que existe un potencial significativamente mayor, incluyendo en las estimaciones otras áreas de la Sierra de Juárez. Por otra parte, la iniciativa del estado de California para la transmisión de energía renovable (RETI), estimó a finales del 2008 que Baja California Norte tendría un potencial eólico de 2,400 MW, y existen también estimaciones de otras fuentes que señalan a un potencial de hasta 10,000 MW. A continuación se muestra el mapa de las diferentes clasificaciones del viento para el Estado de Baja California: 91

105 Mapa 3.1 Regiones con Potenciales Eólicos en el Estado de Baja California Norte Fuente: Instituto de Investigaciones Eléctricas IIE (2009) Zacatecas El estado de Zacatecas se encuentra en una región privilegiada para el aprovechamiento de energía solar y eólica a pequeña y mediana escala. La región del cerro de la Virgen en los alrededores de la Ciudad de Zacatecas, cuenta con un potencial eólico de 400 a 600 W/m 2 promedio anual con velocidades de viento de clase I y II. Otros Estados En el siguiente mapa de la República Mexicana se pueden observar los diferentes estados que cuentan con potenciales eólicos y las diferentes clases de viento que predominan en ellos: Mapa 3.2 Estados con Potenciales Eólicos en la República Mexicana Fuente: Instituto de Investigaciones Eléctricas IIE (2009) 92

106 FACTIBILIDAD DEL POTENCIAL EÓLICO DETERMINADO EN EL CONEJO, VER. La velocidad promedio del viento en la comunidad de El Conejo es de 3.62 m/s que de acuerdo a lo expuesto anteriormente en el apartado Clasificación de la Potencia del Viento, se pude concluir que esta velocidad del aire es adecuada para la electrificación residencial, es decir, para el sustento eléctrico de cargas domésticas. La infraestructura de la Casa U.V. puede considerarse como electrificación residencial, debido a que la totalidad de sus cargas son de ésta índole. Por otro lado, la energía eólica generada va a quedar determinada en gran parte por las características del aerogenerador que se instale. COMPARACION DE LOS POTENCIALES SOLARES EN ALGUNOS LUGARES DEL MUNDO Y EN MÉXICO ESPAÑA. En la siguiente figura se observan las diferencias regionales de irradiación global media anual dentro de España con valores mayores en el sur (5 kwh/m 2 - día) y menores en el norte (3.2 kwh/m 2 día). Mapa 3.3 Irradiación Solar de la Península Ibérica - España Fuente: Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (2009) ALEMANIA. A pesar de contar con poca radiación solar (con niveles menores a España), es el país con más instalaciones solares de toda Europa, con alrededor del 62% de toda la potencia solar instalada en el continente. RESTO DEL MUNDO. A continuación se muestra el mapa de irradiación solar promedio anual que hay en las diferentes naciones del mundo: 93

107 Mapa 3.4 Mapa Mundial de Radiación Solar Anual Promedio (kw/m 2 ) Fuente: Instituto de Investigaciones Eléctricas IIE ( REPÚBLICA MEXICANA. Destaca en el mapa mundial como un territorio con mayor promedio de radiación solar anual, con índices que van de los 4.4 kwh/m 2 - día en la zona centro, a los 6.3 kwh/m 2 - día en el norte del país. Los niveles de irradiación en el país se muestran en el siguiente mapa: Mapa 3.5 Radiación Solar por Día en el Territorio Nacional (kw/m 2 ) Fuente: Instituto de Investigaciones Eléctricas IIE ( CHIHUAHUA, MÉXICO. Está demostrado que el Estado de Chihuahua y en general el Norte de México recibe una incidencia solar de las mayores que se tienen registradas a nivel mundial. Se reporta por especialistas en la materia que en un día soleado normal, en esta región se reciben del orden de 4 a 6 Kwh/m 2 día de energía de parte del sol. 94

108 ZACATECAS, MÉXICO. El promedio diario de energía solar aprovechable en el Estado de Zacatecas es de 4.65 kwh/m 2 (promedio anual de 1,700 kwh/m 2 ), pero en la región norte del estado se recibe de 6 a 6.5 kwh/m 2, uno de los más altos valores de radiación solar a nivel mundial. FACTIBILIDAD DEL POTENCIAL SOLAR DETERMINADO EN EL CONEJO, VER. La energía fotovoltaica producida por parte del potencial solar va a quedar determinada por la tecnología de las celdas, lográndose con una eficiencia entre el 5 y el 20 %. Comparando los niveles de irradiación solar de la comunidad de El Conejo con algunos lugares expuestos anteriormente, por ejemplo: España (primer productor de energía fotovoltaica en el año 2008) con la mayor irradiación solar en su territorio de 5 kwh/m 2 -día. Estado de Chihuahua (con una incidencia solar de las mayores que se tienen registradas a nivel mundial) de 4 a 6 kwh/m 2 día de energía de parte del sol. Estado de Zacatecas teniendo niveles de kwh/m 2. La comunidad de El Conejo donde se encuentra localizada la Casa U.V. cuenta con niveles buenos de irradiación solar. CONCLUSIONES Se puede decir que es factible la generación de electricidad a través de la energía eólica a nivel residencial por tener niveles de viento de Clase I. Se puede concluir que la comunidad de El Conejo tiene buenos niveles de irradiación solar, por lo que es factible la producción de energía eléctrica por medio de ésta energía renovable (energía solar). 95

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110 INTRODUCCIÓN En el mercado existen una gran variedad de aerogeneradores y paneles solares que pueden ser empleados en la generación de electricidad para la Casa U.V. de El Conejo. Es por ello que en este capítulo se mencionan algunos aerogeneradores y paneles solares, así como las características de cada uno de ellos. CARACTERÍSTICAS DE LOS AEROGENERADORES Los aerogeneradores se definen mediante un conjunto de especificaciones técnicas en las que intervienen las correspondientes a la velocidad del viento, potencia eléctrica suministrada y sistemas de control y regulación. Las más importantes son las que se describen a continuación. Diámetro del rotor. Diámetro del círculo que describen las palas. Área barrida. Expresión de la superficie total en m 2 que barren las palas del rotor de modo perpendicular e la dirección del viento. Número de palas. Número de palas adosadas al rotor formando la hélice. Material de las palas. Indicación del material empleado para su construcción, por ejemplo, poliéster con fibra de vidrio. Dirección del rotor. Indicación de si el ataque del frente de are es a sotavento o barlovento. Sistema de orientación. Indica si la orientación se efectúa con veleta u otro procedimiento. Regulación de potencia. Indicación con respecto al control de velocidad empleado para mantener la potencia, y que puede ser de paso de pala fijo o variable. Freno aerodinámico. Descripción del procedimiento empleado para frenar el rotor ante vientos de velocidad superior a la nominal, lo que pondrá en peligro la máquina. Un procedimiento es, por ejemplo, el freno aerodinámico. Perfil aerodinámico de las palas. Especificación de su geometría expresada mediante un tipo NACA (Nacional Advisory Commitee of Aeronautic), por ejemplo NACA Las diferentes cifras dan datos de sus características de longitud, forma y espesor. Velocidad de arranque. Indica la velocidad mínima del viento necesaria para que el rotor inicie su giro. Un valor típico es 3 m/s. Velocidad nominal. Indica la velocidad del viento necesaria para obtener la potencia nominal. Un valor típico es 14 m/s. Velocidad de corte. Indicación de la velocidad a la que el generador interrumpe su giro como medio de protección. Un valor típico es 25 m/s. Generador eléctrico. Especificación del tipo de generador eléctrico empleado, su velocidad, tensión de salida, corriente proporcionada y otros datos similares. Se considera que la potencia nominal la da la velocidad nominal del viento. Tipo de multiplicador. Es referido al dispositivo multiplicador de la velocidad dispuesto entre los ejes del rotor y del generador eléctrico. Se especifica su relación de transformación, por ejemplo 1/23, y su forma 98

111 constructiva, que puede ser de planetarios/ejes paralelos, planetarios/engranajes rectos, planetarios/helicoidal u otros dispositivos. POSIBLES AEROGENERADORES Actualmente, existen una gran variedad de marcas y modelos de aerogeneradores con especificaciones, características, modos de operación, precio, el potencial eólico disponible en el lugar donde se instalarán y la potencia requerida. Así como muchas empresas que se encargan de comercializarlos. Es por ello que para el proyecto de la Casa U.V. de El Conejo se mencionan a continuación los posibles aerogeneradores que pueden dar sustento eléctrico a dicha infraestructura. Se hace la aclaración que para el proyecto sólo se toma en cuenta las especificaciones técnicas de los aerogeneradores que cumplan con el potencial eólico del lugar (lo cual es el objetivo de ésta tesis), pero para poder tener un criterio más completo del aerogenerador que va cumplir con la potencia requerida, siendo el más eficiente y de menor costo en su instalación, es necesario realizar un estudio económico para determinar uno en especial. MODELO Skystream 3.7 Imagen Fuente: Este aerogenerador necesita una velocidad mínima de 3.57 m/s para que entre en operación. De acuerdo al potencial eólico se cuenta con una probabilidad de al % ( días) de todo el año para que entre en funcionamiento. Además, de acuerdo a sus especificaciones técnicas, éste solo opera en el rango de velocidad entre 3.57 y 9.38 m/s para que alcance su potencia nominal, es decir, se tienen una probabilidad del al % ( días) de operación normal para todo el año. 99

112 MODELO Whisper 500 Imagen Fuente: Este aerogenerador necesita una velocidad mínima de 5.4 m/s para que entre en operación. De acuerdo al potencial eólico se cuenta con una probabilidad de al % (63 78 días) de todo el año para que entre en funcionamiento. Además, de acuerdo a sus especificaciones técnicas, éste solo opera en el rango de velocidad entre 5.4 y 10.5 m/s para que alcance su potencia nominal, es decir, se tienen una probabilidad del al 19.8 % (68 72 días) de operación normal para todo el año. MODELO Whisper 200 Imagen Fuente: 100

113 Este aerogenerador necesita una velocidad mínima de 3.1 m/s para que entre en operación. De acuerdo al potencial eólico se cuenta con una probabilidad de al % ( días) de todo el año para que entre en funcionamiento. Además, de acuerdo a sus especificaciones técnicas, éste solo opera en el rango de velocidad entre 3.1 y 10.5 m/s para que alcance su potencia nominal, es decir, se tienen una probabilidad del al al % ( días) de operación normal para todo el año. MODELO Whisper 100 Imagen Fuente: Este aerogenerador necesita una velocidad mínima de 3.33 m/s para que entre en operación. De acuerdo al potencial eólico se cuenta con una probabilidad de al % ( días) de todo el año para que entre en funcionamiento. Además, de acuerdo a sus especificaciones técnicas, éste solo opera en el rango de velocidad entre 3.33 y 12.5 m/s para que alcance su potencia nominal, es decir, se tienen una probabilidad del al % ( días) de operación normal para todo el año. MODELO Air X Imagen Fuente: 101

114 Imagen Fuente: Estos aerogeneradores necesitan una velocidad mínima de 3.13 m/s para que entren en operación. De acuerdo al potencial eólico se cuenta con una probabilidad de al % ( días) de todo el año para que entren en funcionamiento. Además, de acuerdo a sus especificaciones técnicas, éstos solo operan en el rango de velocidad entre 3.13 y 12.5 m/s para que alcance su potencia nominal, es decir, se tienen una probabilidad del al % ( días) de operación normal para todo el año. MODELO Air Breeze Imagen Fuente: Este aerogenerador necesita una velocidad mínima de 2.7 m/s para que entre en operación. De acuerdo al potencial eólico se cuenta con una probabilidad de al % ( días) de todo el año para que entre en funcionamiento. Además, de acuerdo a sus especificaciones técnicas, éste solo opera en el rango de velocidad entre 2.7 y 12.5 m/s para que alcance su potencia nominal, es decir, se tienen una probabilidad del al 89.73% ( días) de operación normal para todo el año. CONCLUSIONES DE POSIBLES AEROGENERADORES Estos son algunos de los aerogeneradores que se encuentran en el mercado que cumplen con los requerimientos del potencial eólico presente en la localidad de El Conejo, Ver. 102

115 Se mencionan sus especificaciones técnicas así como la probabilidad porcentual y en días de la factibilidad de operación que tendrá cada uno durante el lapso de tiempo de un año. Hasta este momento no es posible determinar o de indicar el aerogenerador adecuado para el proyecto, ya que se necesita analizar la potencia que cada uno desarrolla así como la potencia necesaria para cubrir con las necesidades energéticas del proyecto. Se debe realizar un estudio costo beneficio para determinar el aerogenerador más adecuado y que cumpla con todos los requerimientos necesarios para su optimo desempeño. Se hace la aclaración que en el mercado existen más variedades de modelos de aerogeneradores que pueden ser considerados para el sustento eléctrico de la Casa U.V. de la comunidad de El Conejo, y que los expuestos en este trabajo pueden o no tomarse en cuenta. CARACTERÍSTICAS DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS Los paneles fotovoltaicos se definen por un conjunto de parámetros expresados en las condiciones denominadas TONC (Temperatura de Operación Nominal de la Célula) o en la SRC (Condición de Prueba Estándar), cuyos valores diferenciadores característicos son los siguientes: CONDICIONES TONC SRC Irradiación 800 W/m W/m 2 Distribución espectral AM 1.5 Temperatura ambiente 20 C 25 C Velocidad del viento 1 m/s Tabla 4.1 Parámetros que definen a los Paneles Fotovoltaicos Fuente: Libro Guía del Instalador de Energías Renovables. Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización Tomás P. Benito. Editorial Limusa, S.A. de C.V. Grupo Noriega Editores. Edición México. Los datos expresados en SRC se consideran de ensayo y los datos en TONC son típicos de operación. Respecto a los parámetros eléctricos que definen los paneles o módulos fotovoltaicos, los fundamentales son los siguientes: Potencia Máxima (P max ), que indica la máxima potencia obtenida en las condiciones especificadas. Su valor corresponde al producto de los parámetros V e I máximos. Tensión de Potencia Máxima (V mp ). Valor de la tensión cuando el panel está suministrando la máxima intensidad de corriente. Intensidad de Potencia Máxima (I mp ). Corriente suministrada a la potencia máxima. Se considera este parámetro el representativo de la corriente nominal. Corriente de Corto Circuito (I sc ). Representa la máxima corriente que puede proporcionar el panel bajo condiciones de tensión cero. Tensión a Circuito Abierto (V oc ). Especifica la tensión máxima que puede proporcionar el panel sin carga. Coeficiente de Temperatura de I sc. Indica, en porcentaje, la alteración de este parámetro con la temperatura. Por ejemplo: %/ C. 103

116 Coeficiente de Temperatura de V oc. Indica en mv/ C la alteración de la tensión en circuito abierto con la temperatura. Por ejemplo: 70 mv/ C. Coeficiente de la Temperatura de la Potencia. Indica el signo y valor de la alteración de la potencia con la temperatura. Por ejemplo: %/ C. Si bien se puede definir un determinado panel por los parámetros dados en las condiciones de operación TONC o de ensayo SRC, es de considerar la posible alteración de sus valores ante diferentes condiciones de irradiación, distribución espectral (AM) o temperatura ambiente, lo que es imprescindible para aproximar los cálculos de dimensionado a las condiciones reales del lugar en el que se ubican los paneles fotovoltaicos. Surge así para tal finalidad la familia de curvas I-V, con la que los fabricantes indican el comportamiento de sus módulos ante condiciones diferentes a las indicadas. A continuación se describen algunas curvas a modo de ejemplo de los datos que aportan y sin que correspondan a un modelo en particular. CURVA I-V EN FUNCIÓN DE LA IRRACIACIÓN La corriente proporcionada por el módulo fotovoltaico es directamente proporcional a la energía solar recibida, con escasa repercusión de la tensión de salida si la temperatura es constante. La figura muestra esta curva característica. Imagen Fuente: Libro Guía del Instalador de Energías Renovables. Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización Tomás P. Benito. Editorial Limusa, S.A. de C.V. Grupo Noriega Editores. Edición México. CURVA I-V EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA La tensión del panel representa una variación inversamente proporcional a la temperatura de las células, sin que tal condición provoque cambios en la corriente de salida. La figura muestra un ejemplo de tal curva para cinco valores de temperatura. Imagen Fuente: Libro Guía del Instalador de Energías Renovables. Energía Fotovoltaica, Energía Térmica, Energía Eólica, Climatización Tomás P. Benito. Editorial Limusa, S.A. de C.V. Grupo Noriega Editores. Edición México. 104

117 Con respecto a la indicada temperatura, es de tener en cuenta que no es referida a la ambiente si no a la de la célula, la cual representa un valor superior por el calentamiento a que la somete la radiación solar. POSIBLES PANELES SOLARES A continuación se muestran algunos modelos de Paneles Solares que se encuentran en el mercado y que pueden ser considerados para dar sustento eléctrico a la Casa U.V. de El conejo. Módulo Fotovoltaico Multicristalino de Alta Eficiencia KYOCERA Modelo KD135GX-LP Características Eléctricas: Especificaciones Físicas mm(in): Imagen Fuente: Imagen Fuente: 105

118 Especificaciones: Imagen Fuente: Características Eléctricas: Módulo Fotovoltaico Multicristalino de Alta Eficiencia KYOCERA Modelo KD180GX-LP Especificaciones Físicas mm(in): Imagen Fuente: Especificaciones: Imagen Fuente: 106

119 Imagen Fuente: Canadian Solar CS6P 170/180/190/200 Imagen Fuente: 107

120 Imagen Fuente: JIAWEY Modelo JW-J120P Imagen Fuente: 108