Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAFACULTAD 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
ANTECEDENTES Y
JUSTIFICACION
1.1Antecedentes
El uso más antiguo de la energía eólica del que se tiene documentación escomo medio de locomoción. La energía eólica encontró su aplicaciónmasiva en el panorama energético de la civilización humana con el uso dela vela para la propulsión de embarcaciones.
El factor decisivo para el desarrollo posterior ha sido la tecnologíaaeronáutica, que ha permitido sustituir las palas lentas y de bajorendimiento por aspas de diseño aerodinámico semejantes a las hélices deavión.
La energía eólica representa hoy día una de las fuentes energéticas conuna tecnología de aprovechamiento totalmente madura. Asimismo, estotalmente competitiva con otras fuentes tradicionales de producciónenergética.
Figura 1.1 Evolución de los aerogeneradores en el periodo 1980-2005(Fuente asociación federal de energía eólica (BWE) Alemania)
1.2 justificación e importancia
En los últimos años se está produciendo un cambio de paradigma en elmodelo energético, una renovación de la estructura energética, unresurgimiento de la tecnología del aprovechamiento de las fuentesrenovables.
En la última década se ha producido en el mundo una expansiónextraordinaria del aprovechamiento de la energía eólica para la generaciónde electricidad.
La disponibilidad de zonas con potencial eólico estimable junto con laspolíticas de apoyo a las energías renovables, sobre todo a la eólica, hancontribuido a un enorme desarrollo industrial y tecnológico de este sector.
Objetivo General :
Proyectar el diseño de un parque eólico, competitivo y rentable, en el distritode nuevo Chimbote, provincia del Santa. Dentro del marco general dedesarrollo de la generación eólica, La energía eléctrica generada en elparque eólico, que adoptará el nombre de Parque Eólico UNS, debe sercapaz de satisfacer la demanda de electricidad de la universidad Nacionaldel santa y lugares colindantes
Objetivos Específicos
•Ubicar planteamientos teóricos relacionados al desarrollo de la energía eólica, asícomo experiencias exitosas en parques eólicos, que integraremos como marcoreferencial, a usarse como patrón comparativo suficiente para el análisis.
•Clasificar zonas para la instalación del parque eólico. Comprende el estudio de laorografía y el régimen de vientos de las distintas zonas existentes a partir de datosreales 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 tipode aerogeneradores por motivos medioambientales, de transporte o instalación; laelección de la turbina de tal manera que la energía anual producida sea la mayorposible. Asimismo, el coste unitario del aerogenerador (€/KW).
PROBLEMA
¿Cuáles son los principales procedimientos para el diseño construccióny explotación de un parque eólico en nuevo Chimbote, Perú?
Recursos Eólicos
Todas las fuentes de energía renovables incluso la energía de los combustiblesfósiles, provienen, en último término, del Sol (la energía eólica tiene una procedenciadirecta de la energía solar).
Los recursos eólicos provienen de las corrientes horizontales en la superficiegeneradas por el diferente calentamiento del aire en la troposfera (capa que seextiende hasta los 11 Km de altitud) que origina corrientes verticales por efecto delmenor peso del aire calentado con respecto al que le rodea.
Figura 2.1. Influencia de obstáculos topográficos sobre la velocidad del viento
Velocidad del viento.-
El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son, su dirección y suvelocidad. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo conducen a laejecución de la llamada rosa de los vientos.
Ley exponencial de Hellmann La velocidad del viento varía con la altura, siguiendo aproximadamente una ecuaciónde tipo estadístico, conocida como ley exponencial de Hellmann, de la forma:
α
=
1010hVV h
en la que v es la velocidad del viento a la altura h, v10 es la velocidad del viento a 10metros de altura y a es el exponente de Hellmann que varía con la rugosidad delterreno, y cuyos valores vienen indicados en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1.- Valores del exponente de Hellmann en función de la rugosidad del terreno
Energía útil del viento
En una corriente de aire de densidad ρ y velocidad v, como se indica en la Fig 2.2. lapotencia eólica disponible que atraviesa una superficie A y hace un recorrido L en eltiempo t, viene dada por la expresión:
Rosa de viento –de velocidades medias (m/s)
Rosa de viento –de frecuencias (%)
EVALUACION DEL RECURSO EOLICO EN EL CAMPUS DE UNS
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
RUMBOFRECUENCIA VELOCIDAD VELOCIDAD VELOCIDAD
% MEDIA A 15m MEDIA A 20m MEDIA A 30mm/s m/s m/s
N 2,6 5,9 6,4 7,1NNE 0,3 4,0 4,3 4,8NE 3,4 5,4 5,8 6,5
ENE 0,2 5,6 6,0 6,7E 2,4 3,8 4,1 4,6
ESE 1,2 3,2 3,5 3,9SE 14,6 6,0 6,5 7,3
SSE 5,8 5,7 6,1 6,9S 29,9 5,6 6,0 6,7
SSO 8,3 5,1 5,5 6,2SO 15,7 5,2 5,7 6,3
OSO 2,3 5,1 5,5 6,2O 6,0 4,8 5,2 5,8
ONO 0,4 3,6 3,9 4,3NO 6,4 5,7 6,1 6,9
NNO 0,3 5,6 6,0 6,7
unidad de aerogeneración de marca Aelos-H con potencia nominal de de 10kw
ESTIMACION DEL COEFICIENTE DE POTENCIA DE LA TURBINA
32 ....)(8)(
vDvPvCp ηρπ
=
DIMENSIONAMIENTO Y DEL SISTEMA DEAEROGENERADOR
LA TURBINAPotencia nominal 10kWVelocidad del viento de arranque 3 m/sVelocidad del viento de corte de entrada 3.0 m/sLa velocidad del viento de corte de salida 25 m/sLa velocidad del viento de supervivencia 45 m/sLa duración de vida del diseño 30 añosPeso global 420 kg
ROTOR Numero de palas 3Diámetro del rotor 8 mVelocidad del rotor 200 rpmMaterial del alabe fibra de vidrio
GENERADOR Frecuencia 50 Hz o 60 HZTensión 220-380vTipo generador trifásico de imanes permanentesEficiencia del Generador >0.96
EVALUACION ECONOMICA DEL SISTEMA DE AEROGENERACION
A continuación se muestra una comparación de los precios actuales de unidadesaerogeneradores de tres marcas conocidas, en donde se incluye la unidad aerogeneradorelegida.
MARCA,MODELO
POTENCIANOMINAL
kW
PRECIO DELAEROGENERADOR
Miles de dólares
PRECIOUNITARIODólar /kW
SOLENER 10 20000 2000AEOLOS 10 17089 1700INNOVA 10 18500 1850
CALCULO ECONOMICO DEL PROYECTO PARA LA INSTALACION DE UN AEROGENERADOR PILOTO DE 10KW
DATOS DE ENTRADA PARA LA EVALUACION ECONOMICA
Inversiónturbina 17089controlador 7829torre 9224cimentación 5850material eléctrico 650instalación y montaje 4480subtotal 45122IGV 18% 8121,96Total USD 53243,96
Costos de operación y mantenimiento anualoperador 4444,44mant 1500total 5944,44 USD/año
tasa 13%
ingresos anualesPotencia generada 10 kWHoras de utilizacion anual 4467,6 h/añoEnergia 44676 kWH/añocosto unitario de energia 0,3333 USD/kWHEnergia vendida 14892,00 USD/año
Flujo de caja del proyecto Aerogenerados 10 kw
Año inversion ingresoscostos de OM ($) Flujo de caja
(dolares) (dolares) (dolares) (dolares)0 53243,96 -53243,961 14892,00 5944,44 8947,562 14892,00 5944,44 8947,563 14892,00 5944,44 8947,564 14892,00 5944,44 8947,565 14892,00 5944,44 8947,566 14892,00 5944,44 8947,567 14892,00 5944,44 8947,568 14892,00 5944,44 8947,569 14892,00 5944,44 8947,56
10 14892,00 5944,44 8947,5611 14892,00 5944,44 8947,5612 14892,00 5944,44 8947,5613 14892,00 5944,44 8947,5614 14892,00 5944,44 8947,5615 14892,00 5944,44 8947,5616 14892,00 5944,44 8947,5617 14892,00 5944,44 8947,5618 14892,00 5944,44 8947,5619 14892,00 5944,44 8947,5620 14892,00 5944,44 8947,56
VAN 9.610,40 USDTIR 16%NPER 12,15 AÑOS
DISCUSIÓN
• La sociedad peruana actual, en el contexto de la reducción de ladependencia energética exterior, de un mejor aprovechamiento de losrecursos energéticos disponibles y de una mayor sensibilizaciónambiental, demanda cada vez más la utilización de las energíasrenovables y la eficiencia en la generación de electricidad, como principiosbásicos para conseguir un desarrollo sostenible desde un punto de vistaeconómico, social y ambienta
El desarrollo de la generación eólica también es importante para el sectorenergético peruano a la hora de aumentar la seguridad estratégica desuministro puesto que no requiere importaciones de combustible, con losconsiguientes riesgos asociados, ni está condicionada por lasfluctuaciones de los precios de la energía primaria.
La política energética nacional posibilita, mediante la utilización de fuentesde energía renovables, la reducción de gases de efecto invernadero deacuerdo con los compromisos adquiridos con la firma del Protocolo deKyoto. La electricidad producida por cada aerogenerador evita que sequemen diariamente miles de litros de petróleo y miles de kilogramos delignito negro en las centrales térmicas ya que en la generación eólica noexiste proceso de combustión o etapa de transformación térmica. Cadaturbina eólica produce diariamente idéntica cantidad de energía que laobtenida al quemar 1000 Kg/día de petróleo.
De las zonas que se buscaron para la situación del parque, se pudoverificar que la elegida era buena debido a los datos de viento aportados yla comparación con el atlas nacional sin embargo se necesitan datoseólicos fiables y a una altura suficiente, debido a que el buje delaerogenerador (a 15 m de altura) se encuentra más elevado que lasestaciones de medida de datos. Los datos de viento a esa altura seobtienen por interpolación matemática.
Las mediciones que se han realizado para determinar el potencial eólico dela zona han sido tomadas el año del 2010 en los meses de febrero, abril ymayo y encontrado valores promedio por meses; febrero 4.3m/s , abril4.6m/s y junio 5.2m/s estos valores han sido confrontados con otrasmediciones encontradas y con el mapa eólico nacional y se ha procedidoha determinar el valor promedio de estos mese y inferir estos resultadospara todo el año , encontrándose un valor promedio o de 4.7 m/s a 10 mde altura.
Las direcciones predominantes del viento en la zona son de componentesur y sureste, siendo estas las más energéticas con velocidades entre 5 y5.4 m/s
Para el tratamiento estadístico de los datos se ha considerado el mes másrepresentativo que en nuestro caso es el mes de junio del 2010 ymediante la distribución Weibull, ha permitido hallar los parámetroscorrespondientes K= 2.32 y c= 5.64
La construcción y explotación del Parque Eólico ocasiona impactosadversos sobre el medio físico y biótico, pero son, en todos los casos, demagnitud inferior al umbral aceptable (no hay impactos críticos), por lo queno ocasionan una pérdida permanente de la calidad de las condicionesambientales de la zona en la que se desarrollara el parque, y pueden serasimilados por el entorno a corto plazo, debido a las medidas correctoras yprotectoras. Por lo tanto se ha determinado que el campus dos reúne lascondiciones necesarias para la instalación de un futuro parque eólico
En el ámbito socioeconómico, la ejecución y desarrollo del Parque Eólicoocasiona una mínima afección negativa derivada del cambio de uso delsuelo 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. Lamayor parte posible de trabajos de montaje, instalación y mantenimiento serealizan mediante contratos y acuerdos con empresas locales.
Se ha elegido el aerogenerador EOLOs de 10kw un aerogenerador quees capaz de aprovechar las velocidades bajas del viento teniendo mayorrendimiento. Se han evaluado alternativas con otros modelos deaerogenerador en función de su rentabilidad económica siendo este elcandidato final, este generador será un generador piloto para el que nosservirá para concretizar el proyecto final de un parque eólico de 5Mw
la facturación de la subestación del campus 1 de la universidad nacionaldel santa con código 49531467, presenta consumos de energía de23940kWh para el mes de marzo y de 25860 para el mes de abril. Por lotanto no podrá ser cubierta por la planta piloto propuesta. Pero estaplanta piloto servirá para el estudio definitivo de un parque eólico de de5Mw.
CONCLUSIONES
ØEn relación al potencial eólico de la zona se han realizado mediciones enel año 2010 en los meses; febrero 4.3m/s , abril 4.6m/s y junio 5.2m/sdeterminando una velocidad promedio de 4.7 m/s a 10 m de altura.
ØEl tratamiento estadístico de los datos mediante la distribución Weibull, hapermitido hallar los parámetros correspondientes K= 2.32 y c= 5.64
ØLas direcciones predominantes del viento en la zona son de componentesureste y sursureste, siendo estas las más energéticas con velocidadesentre 5 y 5.4 m/s
ØEn cuanto a la selección de dicho emplazamiento se ha tenido en cuentala viabilidad técnica, y las afecciones medioambientales del parque entreotras y se ha determinado que el campus 2 de la UNS reúne lascondiciones técnicas para este fin.
ØSe ha elegido el aerogenerador EOLOS de 10kw, el cual será ungenerador piloto para el proyecto final de un parque eólico de 5Mw.
ØSe ha determinado 4467.6h/año de utilización del aerogenerador, el cualentregara 44676kWh/año de energía el cual podrá utilizarse para lasnecesidades del campus universitario.
ØLa energía eléctrica generada por el generador piloto en el campus UNSsi bien es cierto no podrá reemplazar la demanda total del campusuniversitario servirá para la proyección definitiva de de un parque eólico de5Mw.
ØEn el análisis económico para una inversión total de 53243.96US$, seha encontrado un VAN de 9610.40US$, un TIR de 16% y un numero deperiodo de recuperación de 12 años
