LINEAMIENTOS PARA EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EXPLOTACIÓN DE UN PARQUE EÓLICO

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO ACADEMICO DE ENERGÍA Y FÍSICA INFORME FINAL DE INVESTIGACIÓN: LINEAMIENTOS PARA EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EXPLOTACIÓN DE UN PARQUE EÓLICO RESPONSABLE : Mg. AMANCIO RAMIRO ROJAS FLORES CORRESPONSABLES : Ing. ROBERT GUEVARA CHINCHAYAN Ing. JULIO ESCATE RAVELLO. LIC. CRISTIAN PUICAN FARROÑAY

2 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION

3 1.1Antecedentes El uso más antiguo de la energía eólica del que se tiene documentación es como medio de locomoción. La energía eólica encontró su aplicación masiva en el panorama energético de la civilización humana con el uso de la vela para la propulsión de embarcaciones. El factor decisivo para el desarrollo posterior ha sido la tecnología aeronáutica, que ha permitido sustituir las palas lentas y de bajo rendimiento por aspas de diseño aerodinámico semejantes a las hélices de avión. La energía eólica representa hoy día una de las fuentes energéticas con una tecnología de aprovechamiento totalmente madura. Asimismo, es totalmente competitiva con otras fuentes tradicionales de producción energética.

4 Figura 1.1 Evolución de los aerogeneradores en el periodo (Fuente asociación federal de energía eólica (BWE) Alemania)

5 1.2 justificación e importancia En los últimos años se está produciendo un cambio de paradigma en el modelo energético, una renovación de la estructura energética, un resurgimiento de la tecnología del aprovechamiento de las fuentes renovables. En la última década se ha producido en el mundo una expansión extraordinaria del aprovechamiento de la energía eólica para la generación de electricidad. La disponibilidad de zonas con potencial eólico estimable junto con las políticas de apoyo a las energías renovables, sobre todo a la eólica, han contribuido a un enorme desarrollo industrial y tecnológico de este sector.

6 OBJETIVOS

7 Objetivo General : Proyectar el diseño de un parque eólico, competitivo y rentable, en el distrito de nuevo Chimbote, provincia del Santa. Dentro del marco general de desarrollo de la generación eólica, La energía eléctrica generada en el parque eólico, que adoptará el nombre de Parque Eólico UNS, debe ser capaz de satisfacer la demanda de electricidad de la universidad Nacional del santa y lugares colindantes

8 Objetivos Específicos Ubicar planteamientos teóricos relacionados al desarrollo de la energía eólica, así como experiencias exitosas en parques eólicos, que integraremos como marco referencial, a usarse como patrón comparativo suficiente para el análisis. Clasificar zonas para la instalación del parque eólico. Comprende el estudio de la orografía y el régimen de vientos de las distintas zonas existentes a partir de datos reales de viento. Analizar cualitativamente parámetros que ayuden a identificar no sólo cuáles son los mejores emplazamientos desde el punto de vista del recurso (zonas con mayor velocidad media anual) sino también aquellos que presentan menores restricciones en cuanto a protección medioambiental. Seleccionar la tecnología de las turbinas eólicas que se va a instalar en el parque. consistente en verificar que no existen limitaciones para la instalación de cierto tipo de aerogeneradores por motivos medioambientales, de transporte o instalación; la elección de la turbina de tal manera que la energía anual producida sea la mayor posible. Asimismo, el coste unitario del aerogenerador ( /KW).

9 PROBLEMA Cuáles son los principales procedimientos para el diseño construcción y explotación de un parque eólico en nuevo Chimbote, Perú?

10 MARCO TEORICO

11 Recursos Eólicos Todas las fuentes de energía renovables incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen, en último término, del Sol (la energía eólica tiene una procedencia directa de la energía solar). Los recursos eólicos provienen de las corrientes horizontales en la superficie generadas por el diferente calentamiento del aire en la troposfera (capa que se extiende hasta los 11 Km de altitud) que origina corrientes verticales por efecto del menor peso del aire calentado con respecto al que le rodea. Figura 2.1. Influencia de obstáculos topográficos sobre la velocidad del viento

12 Velocidad del viento.- El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son, su dirección y su velocidad. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo conducen a la ejecución de la llamada rosa de los vientos. Ley exponencial de Hellmann La velocidad del viento varía con la altura, siguiendo aproximadamente una ecuación de tipo estadístico, conocida como ley exponencial de Hellmann, de la forma: V h = V 10 h 10 en la que v es la velocidad del viento a la altura h, v 10 es la velocidad del viento a 10 metros de altura y a es el exponente de Hellmann que varía con la rugosidad del terreno, y cuyos valores vienen indicados en la Tabla 2.1. Tabla Valores del exponente de Hellmann en función de la rugosidad del terreno α

13 Energía útil del viento En una corriente de aire de densidad ρ y velocidad v, como se indica en la Fig 2.2. la potencia eólica disponible que atraviesa una superficie A y hace un recorrido L en el tiempo t, viene dada por la expresión:

14 RESULTADOS

15 EVALUACION DEL RECURSO EOLICO EN EL CAMPUS DE UNS Rosa de viento de velocidades medias (m/s) Rosa de viento de frecuencias (%)

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18 CALCULO DEL SISTEMA AEROGENERADOR ESTIMACION DE LA VELOCIDAD DE VIENTO A LA ALTURA DEL EJE DEL ROTOR VELOCIDADES MEDIAS DE VIENTO A LA ALTURA DEL EJE DEL ROTOR FRECUENCIA VELOCIDAD VELOCIDAD VELOCIDAD RUMBO % MEDIA A 15m MEDIA A 20m MEDIA A 30m m/s m/s m/s N 2,6 5,9 6,4 7,1 NNE 0,3 4,0 4,3 4,8 NE 3,4 5,4 5,8 6,5 ENE 0,2 5,6 6,0 6,7 E 2,4 3,8 4,1 4,6 ESE 1,2 3,2 3,5 3,9 SE 14,6 6,0 6,5 7,3 SSE 5,8 5,7 6,1 6,9 S 29,9 5,6 6,0 6,7 SSO 8,3 5,1 5,5 6,2 SO 15,7 5,2 5,7 6,3 OSO 2,3 5,1 5,5 6,2 O 6,0 4,8 5,2 5,8 ONO 0,4 3,6 3,9 4,3 NO 6,4 5,7 6,1 6,9 NNO 0,3 5,6 6,0 6,7

19 unidad de aerogeneración de marca Aelos-H con potencia nominal de de 10kw

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21 ESTIMACION DEL COEFICIENTE DE POTENCIA DE LA TURBINA C p 8P( v) ( v) = π 2. ρ. D. η. v 3

22 DIMENSIONAMIENTO Y DEL SISTEMA DEAEROGENERADOR LA TURBINA Potencia nominal Velocidad del viento de arranque Velocidad del viento de corte de entrada La velocidad del viento de corte de salida La velocidad del viento de supervivencia La duración de vida del diseño Peso global 10kW 3 m/s 3.0 m/s 25 m/s 45 m/s 30 años 420 kg ROTOR Numero de palas 3 Diámetro del rotor 8 m Velocidad del rotor 200 rpm Material del alabe fibra de vidrio GENERADOR Frecuencia 50 Hz o 60 HZ Tensión v Tipo generador trifásico de imanes permanentes Eficiencia del Generador >0.96

23 EVALUACION ECONOMICA DEL SISTEMA DE AEROGENERACION A continuación se muestra una comparación de los precios actuales de unidades aerogeneradores de tres marcas conocidas, en donde se incluye la unidad aerogenerador elegida. MARCA, MODELO POTENCIA NOMINAL kw PRECIO DEL AEROGENERADOR Miles de dólares PRECIO UNITARIO Dólar /kw SOLENER AEOLOS INNOVA

24 CALCULO ECONOMICO DEL PROYECTO PARA LA INSTALACION DE UN AEROGENERADOR PILOTO DE 10KW DATOS DE ENTRADA PARA LA EVALUACION ECONOMICA Inversión turbina controlador 7829 torre 9224 cimentación 5850 material eléctrico 650 instalación y montaje 4480 subtotal IGV 18% 8121,96 Total USD 53243,96 Costos de operación y mantenimiento anual operador 4444,44 mant 1500 total 5944,44 USD/año tasa 13% ingresos anuales Potencia generada Horas de utilizacion anual Energia costo unitario de energia Energia vendida 10 kw 4467,6 h/año kwh/año 0,3333 USD/kWH 14892,00 USD/año

25 Flujo de caja del proyecto Aerogenerados 10 kw costos de OM Año inversion ingresos ($) Flujo de caja (dolares) (dolares) (dolares) (dolares) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,56 VAN 9.610,40 USD TIR 16% NPE R 12,15 AÑOS

26 DISCUSIÓN La sociedad peruana actual, en el contexto de la reducción de la dependencia energética exterior, de un mejor aprovechamiento de los recursos energéticos disponibles y de una mayor sensibilización ambiental, demanda cada vez más la utilización de las energías renovables y la eficiencia en la generación de electricidad, como principios básicos para conseguir un desarrollo sostenible desde un punto de vista económico, social y ambienta El desarrollo de la generación eólica también es importante para el sector energético peruano a la hora de aumentar la seguridad estratégica de suministro puesto que no requiere importaciones de combustible, con los consiguientes riesgos asociados, ni está condicionada por las fluctuaciones de los precios de la energía primaria.

27 La política energética nacional posibilita, mediante la utilización de fuentes de energía renovables, la reducción de gases de efecto invernadero de acuerdo con los compromisos adquiridos con la firma del Protocolo de Kyoto. La electricidad producida por cada aerogenerador evita que se quemen diariamente miles de litros de petróleo y miles de kilogramos de lignito negro en las centrales térmicas ya que en la generación eólica no existe proceso de combustión o etapa de transformación térmica. Cada turbina eólica produce diariamente idéntica cantidad de energía que la obtenida al quemar 1000 Kg/día de petróleo. De las zonas que se buscaron para la situación del parque, se pudo verificar que la elegida era buena debido a los datos de viento aportados y la comparación con el atlas nacional sin embargo se necesitan datos eólicos fiables y a una altura suficiente, debido a que el buje del aerogenerador (a 15 m de altura) se encuentra más elevado que las estaciones de medida de datos. Los datos de viento a esa altura se obtienen por interpolación matemática.

28 Las mediciones que se han realizado para determinar el potencial eólico de la zona han sido tomadas el año del 2010 en los meses de febrero, abril y mayo y encontrado valores promedio por meses; febrero 4.3m/s, abril 4.6m/s y junio 5.2m/s estos valores han sido confrontados con otras mediciones encontradas y con el mapa eólico nacional y se ha procedido ha determinar el valor promedio de estos mese y inferir estos resultados para todo el año, encontrándose un valor promedio o de 4.7 m/s a 10 m de altura. Para el tratamiento estadístico de los datos se ha considerado el mes más representativo que en nuestro caso es el mes de junio del 2010 y mediante la distribución Weibull, ha permitido hallar los parámetros correspondientes K= 2.32 y c= 5.64 Las direcciones predominantes del viento en la zona son de componente sur y sureste, siendo estas las más energéticas con velocidades entre 5 y 5.4 m/s

29 La construcción y explotación del Parque Eólico ocasiona impactos adversos sobre el medio físico y biótico, pero son, en todos los casos, de magnitud inferior al umbral aceptable (no hay impactos críticos), por lo que no ocasionan una pérdida permanente de la calidad de las condiciones ambientales de la zona en la que se desarrollara el parque, y pueden ser asimilados por el entorno a corto plazo, debido a las medidas correctoras y protectoras. Por lo tanto se ha determinado que el campus dos reúne las condiciones necesarias para la instalación de un futuro parque eólico En el ámbito socioeconómico, la ejecución y desarrollo del Parque Eólico ocasiona una mínima afección negativa derivada del cambio de uso del suelo en el espacio que requieren las distintas instalaciones del parque. Pero las repercusiones socioeconómicas en la zona son, en su mayoría, positivas por la creación de puestos de trabajo directos e indirectos. La mayor parte posible de trabajos de montaje, instalación y mantenimiento se realizan mediante contratos y acuerdos con empresas locales.

30 Se ha elegido el aerogenerador EOLOs de 10kw un aerogenerador que es capaz de aprovechar las velocidades bajas del viento teniendo mayor rendimiento. Se han evaluado alternativas con otros modelos de aerogenerador en función de su rentabilidad económica siendo este el candidato final, este generador será un generador piloto para el que nos servirá para concretizar el proyecto final de un parque eólico de 5Mw la facturación de la subestación del campus 1 de la universidad nacional del santa con código , presenta consumos de energía de 23940kWh para el mes de marzo y de para el mes de abril. Por lo tanto no podrá ser cubierta por la planta piloto propuesta. Pero esta planta piloto servirá para el estudio definitivo de un parque eólico de de 5Mw.

31 CONCLUSIONES En relación al potencial eólico de la zona se han realizado mediciones en el año 2010 en los meses; febrero 4.3m/s, abril 4.6m/s y junio 5.2m/s determinando una velocidad promedio de 4.7 m/s a 10 m de altura. El tratamiento estadístico de los datos mediante la distribución Weibull, ha permitido hallar los parámetros correspondientes K= 2.32 y c= 5.64 Las direcciones predominantes del viento en la zona son de componente sureste y sursureste, siendo estas las más energéticas con velocidades entre 5 y 5.4 m/s En cuanto a la selección de dicho emplazamiento se ha tenido en cuenta la viabilidad técnica, y las afecciones medioambientales del parque entre otras y se ha determinado que el campus 2 de la UNS reúne las condiciones técnicas para este fin. Se ha elegido el aerogenerador EOLOS de 10kw, el cual será un generador piloto para el proyecto final de un parque eólico de 5Mw.

32 Se ha determinado h/año de utilización del aerogenerador, el cual entregara 44676kWh/año de energía el cual podrá utilizarse para las necesidades del campus universitario. La energía eléctrica generada por el generador piloto en el campus UNS si bien es cierto no podrá reemplazar la demanda total del campus universitario servirá para la proyección definitiva de de un parque eólico de 5Mw. En el análisis económico para una inversión total de US$, se ha encontrado un VAN de US$, un TIR de 16% y un numero de periodo de recuperación de 12 años