MARCO TEORICO

¿QUE ES ENERGIA EOLICA?

La ENERGIA EOLICA  es la energía que proviene del movimiento de masa de aire es decir del viento.

En el planeta tierra el movimiento de las masas de aire se deben principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares de esta, moviéndose de alta a baja presión, este tipo de viento se llama viento geoestrofico.

Para poder generar energía eléctrica  proveniente del viento a nosotros, es mucho más importancia el origen de los vientos en zonas más especificas del planeta esto quiere decir donde se produce una mayor cantidad de corrientes de aire, estos vientos son los llamados vientos locales, entre estos están las brisas marinas que son debida a la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra donde se hablo anteriormente de que las masas de aire que bajan son frías y las que tienden a subir son calientes, también están los llamados vientos de montaña que se producen por el calentamiento de las montañas y esto afecta en la densidad del aire y hace que el viento sube por la ladera de la montaña o baje por esta dependiendo si es de noche o de día y de acuerdo al movimiento de las corrientes de masa de aire en este caso calientes las que suben y frías las que bajan.

Las corrientes aire frio tienden a bajar y las corrientes de aire caliente suben como lo menciona anteriormente.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CANTIDAD DE POTENCIA DEL VIENTO O EL AIRE.

La energía eólica es aprovechada por nosotros básicamente por un sistema de un rotor  o también conocida como aerogenerador que gira a medida que pasan las masas viento por él y esto produce el movimiento de sus aspas produciendo a su vez una cantidad de energía eólica.

La potencia del viento depende principalmente de 3 factores:

1. Área por donde pasa el viento (rotor)
2. Densidad del aire
3. Velocidad del viento

Para poder calcular la potencia del viento se debe considerar el flujo másico del viento que va dado por:

  LAS CONSTANTES SON:

Densidad del viento

Área por donde pasa el viento

Velocidad del viento

Entonces el flujo másico viene dado por la siguiente expresión:

Entonces la potencia debido a la energía cinética esta dada por:

CONSIDERACIONES DEL VIENTO

Como nosotros sabemos el viento no todo el tiempo se mantiene constante en dirección y valor de magnitud, es más bien una variable aleatoria, algunos modelos han determinado que el viento es una variable aleatoria con distribución weibull  ya que por lo tanto es una variable no uniforme ya que puede cambiar a varias circunstancias ya sea por temperatura entre otras. Como la que muestra la siguiente figura. En la siguiente figura muestra como en cierto tiempo la masas de aire son de mayor intensidad, pero después de cierto tiempo disminuye ya que se debe a que el aire no es constante en fuerza y magnitud.

Para poder calcular la potencia promedio de aire que es aprovechada por el rotor debemos usar la llamada ley de Betz que es demostrada a continuación:

Imaginemos que la velocidad a la que entra el viento por tubo de corriente es de valor V1 y a la velocidad que sale es de V2, podemos suponer que la velocidad a la que el viento entra al aerogenerador es de (V1+V2)/2.

Se suman las dos constantes que son la velocidad de salida y la velocidad de entrada y se divide en dos para saber que promedio tiene de velocidad.

El flujo másico que entra al rotor tiene valor de:

Dado que en tubo de corriente se debe conservar la potencia, la potencia que entra a velocidad V1 tiene que ser igual a la suma de la potencia que sale a velocidad V2 y la que se va por el rotor.

Entonces la potencia que se va por el rotor es:

Protor=

Y remplazando la masa nos queda:

P = ( /4) (v₁² - v₂²) (v₁+v₂) A

La potencia que lleva el viento antes de llegar al rotor viene dado por:

P₀ = ( /2) v₁³ A

Ahora si la comparamos con la potencia que lleva el viento nos da la siguiente grafica:

Debemos darnos cuenta en la grafica como al entrar el aire lleva mayor velocidad y a medida que pasa por el rotor disminuye  entonces esto quiere decir que cuyo máximo esta dado por 0.59 aproximadamente, es decir la máxima potencia que se puede extraer del viento es de 0.59 veces esta potencia

  COMPARACIÓN ENTRE LAS POTENCIAS

El grafico muestra las potencias del viento, la extraída por el rotor y la potencia transformada a electricidad.

La extraída por el rotor esta limitada por la ley de Betz y la transformada a electricidad esta limitada por la eficiencia del generador.

Como la potencia entregada dada por el generador eólico depende de la velocidad del viento la eficiencia va ha depender también de la velocidad del viento registrándose eficiencias máximas del orden de 44%

Hay que tener además bien en claro que para la lograr una eficiencia alta como la que sale aquí es necesario muchos gastos que aumentarían el costo de producir un Kw. mas, por lo tanto máxima eficiencia no implica menor costo de generación ¿CÓMO Y POR QUE SE PRODUCE ESE MAYOR COSTO DE PRODUCCIÓN?

Mayor eficiencia  no reduciría los costos de generación si no que los aumentaría ya que para poder tener mayor eficacia se necesita un mayor inversión para poder desarrollar un mejor  prototipo de rotor y una mayor investigación para poder obtener una mayor cantidad de energía eléctrica, así que un aumento de eficacia llevaría con ellos una serie de costos como lo que es en maquinaria, investigación, personal, permisos, y esto provocaría que no estuviera ala alcances de todos muy pocos los tendrían en su hogar, y llevaría demasiado tiempo que la mayor cantidad de habitantes pudieran adquirirlo para su uso personal.

Asi que si se busca mejorar este plan de desarrollo sustentable necesita recursos económicos para poderlo llevar a cabo y poder ofrecer un producto de calidad y eficaz. Manteniéndolo así al margen de muchas personas

ENERGÍA ELÉCTRICA DISPONIBLE EN UN AEROGENERADOR

En ambos documentales de dichos grupos mencionan que  la cantidad de nergia que podemos tener disponible de un aerogenerador lo cual se explica a bajo.

Supongamos que se tiene un aerogenerador, un ejemplo, caso danés de 600 Kw. de potencia.

Los fabricantes por lo general entregan la Curva de energía eléctrica disponible versus las velocidades a diferentes parámetros de la distribución de weibull:

Los distintos colores representan las distintas distribuciones probabilísticas de los vientos en año a distintas velocidades, uno esperaría que a medida que aumentamos la velocidad la energía debería estar a una función cúbica de esta, sin embargo esto nos se produce ya que la eficiencia de los aerogeneradores no es constante, por lo tanto la tendencia es más bien lineal.

FUNCIONAMIENTO DE UN AEROGENERADOR

El aerogenerador consta de varias partes y esta dado por la siguiente figura:

  PARTES DEL AEROGENERADOR

Palas del rotor: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido al viento.

Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.

Caja de engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la frecuencia de giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este funcione.

Generador: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en energía eléctrica.

Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de servicio de la energía eléctrica, alguno de ellos son:

Controlador electrónico: que permite el control de la correcta orientación de las palas del rotor, también en caso de cualquier contingencia como sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.

Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una temperatura prudente.

Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la velocidad del viento y la dirección de este respectivamente.

Están conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales adecuadamente.

 Control de potencia en los aerogeneradores

En control de la potencial se puede realizar por medio de algunos métodos los cuales son tres: pitch controlled, stall controlled y por alerones en los cuales se mencionan a continuación con su correspondiente definición y su funcionamiento de cada uno de ellos

CONTOLADORES

Los controladores le sirve al aerogenerador para realizar su función, mantiene equilibrado su sistema durante su función, a lo largo de dicho proyecto se han elaborado algunos controladores ente ellos están los siguientes los cuales son los mas conocidos y los utilizados.

Pitch controlled

También llamados por regulación de ángulo de paso, el controlador electrónico lleva un registro de las potencias entregadas por el aerogenerador, si la potencia entregada pasase un valor nominal el controlador hace que el ángulo por donde se recibe el viento cambie de posición lo que hace que cambie el área efectiva por donde pasa el viento y por lo tanto disminuye su potencia absorbida, en el caso que la potencia recibida es muy chica se hace el procedimiento contrario

 Stall controlled

Denominados también regulados por perdida de aerodinámica, las palas del rotor están fijas al eje, las palas del rotor han sido aerodinámicamente diseñadas de tal manera que a medida que aumenta la velocidad del viento se produce paridad de potencia por turbulencias y así se regula la potencia generada.

Por alerones

Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin embargo esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es sola usada en generadores de baja potencia.

RELACIÓN TAMAÑO POTENCIA

Existe una estrecha relación al tamaño de las palas del rotor y la potencia entregada por este. Ya que depende demasiado tanto dl tamaño de aerogenerador como  de su potencia, ya que entre mas rápido sea la corriente de aire que produce el movimiento de las aspas producirá una mayor cantidad de electricidad.

Generación de la electricidad  por el Aerogeneradores

Descripción:

De un sistema de generación eolico

 Por lo general los generadores pueden ser de inducción o sincronos

Generadores de inducción:

Los generadores de inducción presentan un rotor llamado rotor de jaula de ardilla el cual consta de barras cortocircuitadas tal como muestra la figura

Si hacemos girar al generador de inducción el estator inducirá corrientes en el rotor y con esto se generara electricidad.

Una característica importante de los generadores de inducción es la variable llamada deslizamiento que la diferencia entre la velocidad de giro versus la velocidad de sincronismo.

 Generadores sincronos:

 Son llamados así por que la frecuencia que inducen  es proporcional a la velocidad de giro del rotor, el rotor debe estar excitado con corriente continua o con un imán.

 Para la generación eolica se tienen los siguientes esquemas de conexión:

Uno de los problemas mas grande de los generadores son entregar la frecuencia apropiada a la red y también los niveles de tensiones adecuados, esto se puede regularizar usando la potencia reactiva.

Como cita anteriormente el autor del párrafo lo que da a entender es que el síncronos depende de que el viento sea constante para que su producción de electricidad sea mayor y se lleve un mejor funcionamiento en el generador y cumpla completamente su función que es producir electricidad por medio del aire

 Operación económica de la generación de energia eólica

Como se sabe la energía eólica posee un elemento aleatorio en su generación que es la fuerza del viento análogo a las hidrogeneradoras que su variable aleatoria es las hidrológica.

Como sabemos una operación eficiente de un sistema eléctrico consiste en resolver un problema de optimización el cual considera que:

• Equilibrio de la oferta y la demanda de energía
• Conversión de la energía de recursos primarios
• Capacidad de las plantas y potencias instaladas
• Capacidad almacenada

También este problema de operación económica considera:

• Variabilidad  de la demanda a lo largo del año
• Abastecimiento de la demanda en periodos de alta y baja
• Proyección de la demanda en el futuro

Uno delos ejemplos de un país con este proyecto se mostrara a continuación para tener un previsto de los costos que produce dicho proyecto y observar sus beneficios, pero tener en mente que el mayor beneficio es no contaminar y contribuir a un mundo mejor y de calidad para las siguientes generaciones. 

Viendo distintos datos se puede apreciar un ejemplo  de la operación económica en Turquía (Los datos están de acuerdo a sus características geográficas , así que si hay mucha diferencia con el caso chileno no extrañarse) en donde existen distintos tipos de tipo de generación encontrándose los siguientes valores:

• Hidroeléctrica: Costo 40 $/Kw/año
• Térmica: Costo 20 $/Kw/año (Bencina + operación)
• Solar: Costo 30 $/Kw/año
• Eólica: Costo 30 $/Kw/año

Para una eficiente despacho de las generadoras se despacha según el menor costo, en Turquía se ven dos tipos de periodos uno normal y otro de alta demanda registrándose los siguientes tipos de despachos:

GASTOS COTIDIANOS EN EL MES

Demanda total: 10800 MW

• Despacho térmico:7920 MW
• Despacho Hidroeléctrico:1536 MW
• Despacho eólico:1344 MW
• Despacho solar:0

Como se puede apreciar el despacho de potencia se realizo según la que tiene menor costo hasta la que tiene mayor costo, ya que la idea es minimizar los costos de operación.

El caso eólico es importante en Turquía ya que ocupa el 12% del total de la generación.

Como se observa se busca reducir costos en la operación de generación de energía eólica, buscar alternativas para hacer al proyecto mas accesible y mas económico para la producción de electricidad si tener que gastar mas de lo que se esta obteniendo.

Costos de la tecnologia eolica

Plantas de energia eolica

Las plantas de energia eolica son un conjunto de generadores eolicos los cuales generan cada uno energia electrica.

El costo de cada turbina eolica esta en funcion de:

• Los alerones del rotor
• Eje
• La transmicion: referida a la caja de cambios
• Generador
• Gondola
• Torre

 Sin embargo existen costos adicionales:

• Equipo de monitoreo
• Control de calidad
• Financiamiento
• Gestion e ingenieria

 PRINCIPALES PAÍSES POR CAPACIDAD EÓLICA INSTALADA

TOTAL EUROPA: 12.972 MW
TOTAL EN EL MUNDO: 17.706 MW

Y por último la tabla en verde que se encuentra arriba muestra los países con mayor producción de energía eólica encabezando Alemania después Estados Unidos y España pero si nos damos cuenta, México no se encuentra entre los líderes de mayor producción de energía eólica, por eso debemos invertir más en proyector de desarrollo sustentable para promover el cuidado del medio ambiente como lo es la producción de energía eólica usando el aire como fuente de poder para poder producir la energía y poder llevar a cabo el proyecto.

Y un análisis de que la mayor parte energía eólica es producida en Europa y lo que es el continente americano y los demás su producción es minina  y juntos solo contribuyen en 4300 MW aproximadamente lo cual es muy triste ver que la mayoría de los países no tiene la iniciativa de buscar alternativas para la producción de energías limpias, pero ver también que los países europeos se han comprometido por buscar opciones y llevarlas a cabo y producir energías limpias y es por eso que encabezan la lista en la producción de energía eólica lo cual es muy bueno porque países pueden copiar dichos proyecto y aplicarlos en sus territorio.

Donde que nuestra curiosidad nos llevo a investigar donde se encuentran las corrientes de aire con mayor potencia lo cual esta mostrado en esta figura  la parte del golfo entra con alta presión el aire y por el pacifico de baja presión.

Lo cual en esta imagen de arriba muestra con cada color diferente donde están los vientos con mayor potencia que en este caso se encuentran en las costas, donde habitualmente son colocados los aerogeneradores o también las montañas donde las corrientes tienen un buen empuje.

A continuación se muestra una grafica de cómo ha ido aumentado la producción de Energía eólica, el incremento ha sido bueno pero aun así la producción es mínima, porque la mayoría de los países no están contribuyendo a buscar alternativas para poder producir energías limpias, y como se mostro en la tabla anterior en la verde china que es uno de los mayores contaminantes no se encuentra entre los primeros tres países productores energía limpia así que países como el deberían preocuparse mas por su medio ambiente y empezar contribuir mas.

Así que desde el año 1996 se ha ido incrementando la producción de energía eólica, debemos saber que la mayor parte de la producción  la tienen los países Europeos y la menor cantidad es de los demás continentes es por eso que la grafica se encuentra así ya que es por solo un continente.

El agua es esencial para la vida. Nuestro planeta lo llamamos "El Planeta del Agua" o "Planeta Azul" porque desde el cielo se puede ver una gran masa de agua, son los mares y los oceános, de agua salada, el agua dulce se encuetra en otros sitios como en arroyos, ríos, masas de hielo, nieve... Todos los seres vivos necesitan agua para sobrevivir. El agua describe un ciclo que permite su reutilización.

Evaporación de agua forma las nubes.

La distribución del agua en nuestro planeta mantiene un constante equilibrio, ya que cicla continuamente, a través de la atmósfera, de las cuencas oceánicas y los suelos continentales. Durante su ciclo se suceden procesos naturales como la fusión, y la condensación; además de participar en los relacionados con las actividades propias de los seres vivos: respiración, fotosíntesis, excreción, etc. A continuación conoceremos como el ciclo del Agua afecta tu vida y la del resto de seres vivos que te rodean.

Evaporación:

El ciclo se inicia sobre todo en las grandes superficies líquidas (lagos, mares y océanos) donde la radiación solar favorece que  continuamente se forme vapor de agua. El vapor de agua, menos denso que el aire, asciende a capas más altas de la atmósfera, donde se enfría y se condensa formando nubes.

Precipitación:

Cuando por condensación las partículas de agua que forman las nubes alcanzan un tamaño superior a 0,1 mm comienza a formarse gotas, y estas caen por gravedad dando lugar a las precipitaciones (en forma de lluvia, granizo o nieve).

Retención:

Pero no todo el agua que precipita llega a alcanzar la superficie del terreno. Una parte del agua de precipitación vuelve a evaporarse en su caída y otra parte es retenida (“agua de intercepción”) por la vegetación, edificios, carreteras, etc., y luego se evapora. Del agua que alcanza la superficie del terreno, una parte queda retenida en charcas, lagos y embalses (“almacenamiento superficial”) volviendo una gran parte de nuevo a la atmósfera en forma de vapor.
 

Escorrentía superficial:

Otra parte circula sobre la superficie y se concentra en pequeños cursos de agua, que luego se reúnen en arroyos y más tarde desembocan en los ríos (“escorrentía superficial”). Este agua que circula superficialmente irá a parar a lagos o al mar, donde una parte se evaporará y otra se infiltrará en el terreno.

Infiltración:

Pero también una parte de la precipitación llega a penetrar la superficie del terreno  (“infiltración”) a través de los poros y fisuras del suelo o las rocas, rellenando de agua el medio poroso. 

Evapotranspiración:

En casi todas las formaciones geológicas existe una parte superficial cuyos poros no están saturados en agua, que se denomina “zona no saturada”, y una parte inferior saturada en agua, y denominada “zona saturada”. Una buena parte del agua infiltrada nunca llega a la zona saturada sino que es interceptada en la zona no saturada. En la zona no saturada una parte de este agua se evapora y vuelve a la atmósfera en forma de vapor, y otra parte, mucho más importante cuantitativamente, se consume en la “transpiración” de las plantas. Los fenómenos de evaporación y transpiración en la zona no saturada son difíciles de separar, y es por ello por lo que se utiliza el término “evapotranspiración” para englobar ambos términos. 

Escorrentía subterránea:

El agua que desciende, por gravedad-percolación y alcanza la zona saturada constituye la “recarga de agua subterránea.  

 La materia circula desde los seres vivos hacia el ambiente abiótico, y viceversa. Esa circulación constituye los ciclos biogeoquímicos, que son los movimientos de agua, de carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y otros elementos que en forma permanente se conectan con los componentes bióticos y abióticos de la Tierra. Las sustancias utilizadas por los seres vivos no se "pierden" aunque pueden llegar a sitios donde resultan inaccesibles para los organismos por un largo período. Sin embargo, casi siempre la materia se reutiliza y a menudo circula varias veces, tanto dentro de los ecosistemas como fuera de ellos. 

Nuestro planeta actúa como un sistema cerrado donde la cantidad de materia existente permanece constante, pero sufre permanentes cambios en su estado químico dando lugar a la producción de compuestos simples y complejos. Es por ello que los ciclos de los elementos químicos gobiernan la vida sobre la Tierra, partiendo desde un estado elemental para formar componentes inorgánicos, luego orgánicos y regresar a su estado elemental. En las cadenas alimentarias, los productores utilizan la materia inorgánica y la convierten en orgánica, que será la fuente alimenticia para todos los consumidores. La importancia de los descomponedores radica en la conversión que hacen de la materia orgánica en inorgánica, actuando sobre los restos depositados en la tierra y las aguas. Esos compuestos inorgánicos quedan a disposición de los distintos productores que inician nuevamente el ciclo.