libro de ingenieria sobre energia eolica muy completoooDescrição completa
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Trabajo sobre energía Eolica
Descripción: La energía eólica hoy en día, es una de las menos contaminantes, se aprovecha la energía de las corrientes de viento para convertirlo en energía eléctrica.
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Evolucion y Futuro de la energia eolica
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EMILIANO ZAPATA DEL ESTADO DE MORELOS DIVISIÓN ACADÉMICA DE MECANICA MEC ANICA INDUSTRIAL
ENERGIA EOLICA
GESTION AMBIENTAL AMBIENTAL INGENIERIA EN MANTENIMIENT M ANTENIMIENTO O ÁREA INDUSTRIAL PRESENTA:
JORGE LUIS ALVAREZ PEÑA ASESOR ACADÉMICO ACADÉMICO
ING. JOSE LUIS PERALTA ABARCA
EMILIANO ZAPATA ZAPATA,, MOR., DICIEMBRE DICIEMBR E DE 2014
INTRODUCCION
La mayor parte de nuestras necesidades básicas energéticas se satisfacen mediante energa e!éctrica" #ue no es más #ue una forma de energ energa a secun secunda dari ria a $apta $apta para para e! uso% uso% produ produci cida da a part partir ir de fuente fuentess de energ energa a primar primaria ia $&ient $&iento" o" so!" mareas mareas"" 'idroc 'idrocarbu arburos ros"" nuc! nuc!ea ear( r((( ((%( %( En nuest nuestras ras casas casas o en !as !as indu indust stri rias as #ue #ue !a usan usan"" consumimos esta forma de energa para 'acer funcionar !a mayor parte de !os aparatos #ue nos faci!itan nuestra &ida diaria $!u)" ca!or" y
mo&imiento%(
*ara 'acer uso de esa e!ectricidad" antes 'ay #ue transformar !as fuentes fuentes de energa primaria primaria en e!ectricidad e!ectricidad(( Eso ocurre !as centra!es e!éctricas e!éctricas $térmicas" $térmicas" 'idroe!éctric 'idroe!éctricas" as" so!ares" so!ares" e+!icas" e+!icas" nuc!eares((( nuc!eares(((%( %( Luego 'ay #ue transportar esa e!ectricidad 'asta nuestros 'ogares o 'acia !as industrias mediante una Red de A!ta ,ensi+n $Red de cab!es #ue &emos atra&esar por !o a!to de !as carreteras de torreta en torreta%( *ara *ara sati satisf sface acerr !as !as nece necesi sida dades des de !a pob! pob!ac aci+ i+n n !as !as empr empres esas as e!éc e!éctr tric icas as pre& pre&én én !as !as nece necesi sida dade dess de !a pob! pob!ac aci+ i+n n e inte intent ntan an satisfacer!as satisfacer!as(( Obser&a Obser&a e! gráfico gráfico de !a producci+n y di cuá!es son !as energas primarias más uti!i)adas a'ora mismo para producir energa e!éctrica(
Es por esta necesidad de consumo e!éctrico #ue e! 'ombre 'a tenido #ue desarro!!ar nue&as técnicas de generaci+n apro&ec'ando !os recursos natura!es de! p!aneta como son- e! aire" !as corrientes martimas" !a energa nuc!ear" !a energa térmica" !a energa so!ar entre otras(
En e! presente documento se trata !a forma de generaci+n más apro&ec'ada #ue es !a energa e+!ica !a cua! es !a #ue en mayor proporci+n nos brinda energa e!éctrica apro&ec'ando este recurso natura! a! má.imo(
DESARROLLO BREVE ISTORIA DE LA ENERG!A EÓLICA
La energa e+!ica es una de !as formas de energa más antiguas usadas por !a 'umanidad( Desde e! principio de !os tiempos" !os 'ombres uti!i)aban !os mo!inos de &iento para mo!er cerea!es o bombear agua( Con !a !!egada de !a e!ectricidad" a fina!es de! sig!o /I/ !os primeros aerogeneradores se basaron en !a forma y e! funcionamiento de !os mo!inos de &iento( Sin embargo" 'asta 'ace poco tiempo no !a generaci+n de e!ectricidad a tra&és de aerogeneradores no 'a 0ugado un gran pape!( Con !a primera crisis de! petr+!eo en !os a1os 23" sobre todo a partir de !os mo&imientos contra !a energa nuc!ear en !os a1os 43 en Europa" se despert+ e! interés en energas reno&ab!es( Se buscaron nue&os caminos para e.p!otar !os recursos de !a ,ierra tanto eco!+gicamente
como
rentab!es
econ+micamente(
Los
aerogeneradores de a#ue!!a época eran demasiado caros" y e! e!e&ado precio de !a energa #ue se obtena a tra&és de !os mismos era un argumento para estar en contra de su construcci+n( Debido a
esto" !os gobiernos internaciona!es promo&ieron !a energa e+!ica en forma de programas de in&estigaci+n y de sub&enciones" !a mayora de !as mismas aportadas por !os gobiernos regiona!es( As se crearon institutos como e! Instituto A!emán de !a Energa E+!ica $DE5I% o e! Instituto de In&estigaci+n Danés $Ris6%" #ue poco a poco 'an !!e&ado a cabo una estandari)aci+n de !as insta!aciones y de !os métodos de seguridad 'a !!e&ado y está !!e&ando a cabo un me0or rendimiento econ+mico de !as insta!aciones(
Los a!tos costes de generaci+n de e!ectricidad a partir de! &iento se redu0eron considerab!emente en 7847 a! 93: con e! desarro!!o de un aerogenerador de 99 ;5( Las organi)aciones eco!+gicas consideran !a energa e+!ica una de !as fuentes de energa más econ+micas si inc!uimos !os costes e.ternos de generaci+n de energa $por e0emp!o" !os da1os de! medio ambiente%( Los aerogeneradores modernos generan actua!mente una parte importante de !a energa e!ectricidad mundia!( A!emania"
CRO=OLO>?A DE LOS *IO=EROS DE LA E=ER>?A E@LICA
C"#$%&' (. B$)'" *1+4-12" uno de !os fundadores de !a compa1a e!éctrica americana( En e! &erano de 744244 construy+ una
má#uina
considerada
actua!mente
como
e!
primer
aerogenerador para generador de e!ectricidad( Las dimensiones eran para a#ue!!a época enormes- Diámetro de rotor de 72m y 7BB 'o0as de rotor de madera de cedro( Estu&o en funcionamiento durante 3 a1os" durante !os cua!es a!imento una batera co!ocada en su s+tano( A pesar de !as dimensiones de! rotor" !a potencia de! aerogenerador era so!amente de 7;5(
P/)% %# C/)$ *1+4-10+" meteor+!ogo danés( Se !e considera e! padre de !a energa e+!ica moderna( Sus primeros aerogeneradores comercia!es se insta!aron después de !a primera guerra mundia!" como consecuencia de !a escase) de combustib!es( und+ !a primera academia de energa e+!ica" de donde sa!ieron !os primeros ingenieros especia!i)ados( *ara!e!amente fund+ e! primer peri+dico e.c!usi&o con esta temática(
A%&$ B&3 *1++-1+" sico a!emán( En su etapa de director de! instituto aerodinámico en >ttingen" formu!+ !a !ey Fet)" #ue estab!eca e! má.imo &a!or #ue se puede apro&ec'ar de !a energa cinética de! &iento" 98"G:( Su teora sobre !a formaci+n de !as a!as toda&a
sir&e
de
fundamento
para
!a
construcci+n
de
aerogeneradores(
P#%5&$ C/''%& P)6#5 *110-1+" ingeniero americano" desarro!!+ en 78B7 e! aerogenerador Smit' *utman" de 7"9M5( Éste aerogenerador traba0+ 'asta 78B9 sin interrupciones" 'asta #ue un fa!!o en e! materia! 'i)o #ue de0ase de funcionar( En a#ue!!a época no e.istan materia!es en e! mercado aptos para este ob0eti&o(
U%$78" 9 6&$ *110-10 " ingeniero a!emán( Su aerogenerador St>5GB en e! a1o 7892 se considera !a primera piedra de !a tecno!oga e+!ica moderna(
J/"#66&' J))% *1++;-1" ingeniero danés( Estudiante de *ou! !a Cour( Construy+ e! primer aerogenerador para corriente a!terna de 33 ;5" en Dinamarca" en 7892( Es e! predecesor de !os aerogeneradores actua!es(
L/' ;0 < %/' +0:
La crisis de! petr+!eo !!e&+ a un cambio en !a manera de pensar de !as po!ticas energéticas( En interés en !as energas a!ternati&as creci+ y !!e&+ a !a creaci+n de programas de in&estigaci+n y de sub&enciones( *ioneros
a!emanes
y
daneses
desarro!!aron
!os
primeros
aerogeneradores rentab!es econ+micamente" #ue !!e&aron a una re&o!uci+n de !a energa e+!ica" tanto en e! aspecto industria! como en e! tecno!+gico (
CHLC?A E@LICA La energa e+!ica es !a energa cinética de !as partcu!as de aire #ue se mue&en con una &e!ocidad &(
*or !o tanto" !a energa cinética de! aire es-
ay #ue prestar atenci+n a! dato de #ue !a potencia e+!ica depende de! cubo de !a &e!ocidad de! aire( *or !o tanto" !a &e!ocidad es e! factor más importante a !a 'ora de ca!cu!a !a energa e+!ica(
CHLC
Fen !os sistemas de medici+n" !a densidad de! aire 0uega un pape! muy importante( Ésta presenta grandes &ariaciones a diferentes a!turas y a diferentes temperaturas( La diferencia de densidad de aire entre 73 JC y KG3 JC es de 3(722 ;gm G La densidad esEn ;gmG *resi+n de aire N p" Constante de !os gases R" ,emperatura en e!&in N,
=P/$ >)? )'#$ &6&$@# &%78# La 'umanidad debe usar cada da con más eficiencia !a energa" pero también 'ay #ue ser consiente #ue e! mundo en &as de desarro!!o necesita más energa para afrontar sus necesidades más acuciantes( E! reto con #ue se enfrenta !a 'umanidad es satisfacer !a creciente demanda de energa y" a! mismo tiempo" afrontar !a amena)a igua!mente urgente de! cambio c!imático( La &enta0a de !a energa e+!ica es #ue genera e!ectricidad sin producir !os contaminantes asociados a !os combustib!es f+si!es y a !a energa nuc!ear" entre e!!os" e! más significati&o es e! di+.ido de carbono" e! gas de efecto in&ernadero( Los recursos energéticos basados en fuentes reno&ab!es como !a energa e+!ica son potencia!mente i!imitados( La potencia de! &iento g!oba! está creciendo anua!mente en un ndice de G4 por ciento" es !a industria energética de mayor crecimiento actua!mente en e! mundo( La energa e+!ica promue&e un futuro energético !impio y sustentab!e" disminuyendo !a dependencia de !os combustib!es f+si!es(
A partir de! *rotoco!o de ioto de 7882" se re#uiere una reducci+n g!oba! de !as emisiones de gases de in&ernadero de! 9" por ciento para e! periodo 33437 respecto de !os ni&e!es de 7883( Los Estados miembros de !a 5" !a disminuci+n anua! segQn este escenario será de 7(49P mi!!ones de tone!adas de C3 en 33 y B"433 mi!!ones de tone!adas en 3B3( La reducci+n acumu!ada sera de 77(2P4 mi!!ones de CO en 33 y 4P(BP8 mi!!ones en 3B3( E! impacto ambienta! #ue tiene estas gran0as con sus turbinas en e! sistema costero se comen)+ a estudiar primero 'ipotéticamente" pues 'asta fec'a reciente no se 'aban rea!i)ado ninguna in&estigaci+n a! respecto en e! mundo( E! Con&enio de Os!o*arisCon&enci+n $OS*AR" 788% y e! de e!sin;iCon&enci+n $ELCOM" 788% para !a protecci+n Marina de!
=oroeste de! At!ántico y e! Mar Fá!tico respecti&amente ob!iga defender y e&a!uar !os posib!es impactos y efectos de !as turbinas costa afuera sobre !a natura!e)a y e! paisa0e marino(
L/' /'7%&' 75#8/' >)& 8#)'#6 &'#' @$#6#' &%78#': a( Los rotores de !as turbinas afectaran !a a!imentaci+n y !a migraci+n de !os pá0aros debido a! disturbio y coa!iciones #ue producirán( b( Los cimientos de !os mo!inos inf!uenciaran en !a 'idro!oga y !a sedimentaci+n" con !a consecuencia de #ue se cambie !a composici+n de !as comunidades bent+nicas( c( Los cimientos serán substratos artificia!es #ue ser&irán de 'abitad a !a f!ora y fauna epibéntica" encontrándose más tarde una comunidad #ue no era tpica en esa regi+n de! Mar de! =orte y Fá!tico( d( Los campos magnéticos y e!éctricos artificia!es generados por !as cone.iones de !os cab!es" afectarán !a orientaci+n de !as especies de peces y mamferos marinos( e( Los disturbios adiciona!es podran ser e! ruido y !as &ibraciones de !os rotores sobre !a superficie de! mar" además !as ref!e.iones de !os rotores cuando cambian de posici+n( f( Las mo!inos como una estructura &ertica! de 7G9 m de a!tura y !os rotores m+&i!es de 773 m de diámetro tendrán un impacto importante en !a &ista natura! de !os paisa0e marino con su estructura 'ori)onta! predominante( g( Además debido a! tama1o #ue tendrán estas gran0as de energa e+!ica aumentará e! pe!igro de co!isiones na&ieras(
'( La e.periencia sobre !os efectos de !os impactos de! ser 'umano en !os ecosistemas de !as áreas terrestres" nos da indirectamente fuertes ra)ones y c!aras muestras de preocupaci+n" a! presumir serios riesgos con !as turbinas costa afuera para !os ecosistemas de muc'os mamferos marinos( ?A E@LICAT
(((o de d+nde &iene e! &ientoT La energa e+!ica es una transformaci+n de !a energa so!ar( E! So! radia por 'ora una energa de 72B(BG(333(333(333 5' a !a ,ierra( Esta energa no !!ega a !a ,ierra de una manera uniforme" sino #ue ca!ienta !as )onas pr+.imas a! Ecuador más #ue !as )onas po!ares( Además de esto" !os continentes se ca!ientan y enfran más rápido #ue !os océanos( En !a atm+sfera e! aire ca!iente es muc'o más !igero #ue e! aire fro" por !o #ue se e!e&a 'asta una a!tura de apro.imadamente 73m" para posteriormente orientarse direcci+n norte y sur( De esta manera" !as corrientes de aire fro se desp!a)an por deba0o de !as corrientes de aire ca!iente( Asimismo" !as masas de agua y aire se mue&en en un sistema rotatorio" #ue no sigue una !nea recta sino #ue" debido a !a rotaci+n de !a ,ierra" sigue una trayectoria circu!ar $en sentido de !as agu0as de! re!o0 en e! 'emisferio norte" y en sentido contrario en e! 'emisferio sur( La !ey de Corio!is e.p!ica esta direcci+n de giro de! &iento( *ara!e!amente" debido a !a diferente &e!ocidad de cambio de temperatura de! aire en )onas de agua y )onas de continente" se estab!ecen diferencias de presi+n" #ue inf!uyen en !a formaci+n de corrientes de aire( En resumen" e! &iento no es más #ue !as corrientes de aire #ue se forman a! intentar compensarse !a presi+n de! aire en diferentes regiones( Apro.imadamente e! 7: o e! : de !a energa #ue recibimos de! So! se transforman en energa e+!ica(
esta energa sera suficiente para cubrir !a demanda energética de! p!aneta(
LOS *AR
De
forma
abre&iada podemos afirmar #ue un par#ue e+!ico de generaci+n e!éctrica consiste en una serie de insta!aciones #ue transforman !a energa cinética de! f!u0o de! &iento en energa e!éctrica( U" debido a !as pecu!iares caractersticas de !os &ientos" de comportamiento irregu!ar en su intensidad y direcci+n" e! apro&ec'amiento de esta energa e.ige una tecno!oga comp!e0a" con mecanismos de regu!aci+n y orientaci+n( En e!!o consisten !os e#uipos más re!e&antes de un par#ue e+!ico" esto es" !os aerogeneradores(
AEROGENERADORES
Los aerogeneradores" o aeroturbinas" se c!asifican en dos grandes b!o#ues" segQn sean de e0e 'ori)onta! o &ertica!( U dentro de! primer grupo se distinguen !os de e0es para!e!os a !a direcci+n de! &iento de !os perpendicu!ares( Los mo!inos con&enciona!es" ya narrados por Don Migue! de Cer&antes en su obra maestra" se c!asifican dentro de !os de e0e 'ori)onta! y para!e!os a! &iento( Ésta es !a tipo!oga #ue se considera en e! presente estudio" aun#ue con !a incorporaci+n de grandes a&ances cientficos y tecno!+gicos( Son !as má#uinas e+!icas de! sig!o //I #ue constituyen !os modernos par#ues e+!ico e!éctricos(
U6 #&$/@&6&$#F/$ 8/6'# F& %/' '7@)7&6&' 8/5/6&6&': 7( Rotor- inc!uye !as pa!as y e! bu0e( Cuando e! &iento incide sobre !as pa!as" éste pro&oca su mo&imiento rotaciona!" #ue se transfiere a! bu0e( Éste" a su &e)" está acop!ado a! e0e de ba0a &e!ocidad de! aerogenerador" transmitiéndo!e !a potencia de! mo&imiento( ( >+ndo!a- estructura #ue contiene en su interior e! e0e de ba0a &e!ocidad mencionado" e! mu!tip!icador" e! e0e de a!ta &e!ocidad" e! generador de corriente" !a unidad de refrigeraci+n" e! contro!ador e!ectr+nico" e! freno" e! anem+metro y !a &e!eta(
E! mo&imiento de! e0e de ba0a &e!ocidad es amp!ificado mediante !a ca0a de engrana0es" o mu!tip!icador" #ue aumenta !a &e!ocidad de rotaci+n de! rotor unas 93 &eces" para #ue !a &e!ocidad de rotaci+n #ue recibe e! generador" a tra&és de! correspondiente e0e" sea de unas 7(933 r( p( m( En e! generador se con&ierte !a energa mecánica en energa e!éctrica( Su potencia &ara en funci+n de !as caractersticas técnicas de! aerogenerador en cuesti+n( Los demás componentes de !a g+ndo!a son comp!ementarios" pero imprescindib!es( As" !a unidad de refrigeraci+n contiene un &enti!ador uti!i)ado para enfriar e! generador e!éctrico( Además contiene una unidad refrigerante por aceite emp!eada para enfriar e! aceite de! mu!tip!icador( A!gunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua( E! contro!ador e!ectr+nico es un ordenador #ue continuamente monitori)a !as condiciones de! aerogenerador y #ue contro!a e! mecanismo de orientaci+n( En caso de cua!#uier disfunci+n $por e0emp!o" un sobreca!entamiento en e! mu!tip!icador o en e!
generador% detiene automáticamente e! aerogenerador y en&a una se1a! a! ordenador de! operario encargado de su mantenimiento( *or su parte" e! anem+metro y !a &e!eta son instrumentos de medici+n de! &iento" necesarios para !a monitori)aci+n y orientaci+n #ue !!e&a a cabo e! contro!ador de! aerogenerador( De este modo" e! contro!ador e!ectr+nico conecta e! aerogenerador cuando e! &iento a!can)a apro.imadamente 9 mis" y !o parará cuando esta &e!ocidad e.ceda !os 9 ms" con e! fin de proteger a !a turbina y sus a!rededores( Las se1a!es de !a &e!eta son uti!i)adas por e! contro!ador e!ectr+nico para girar e! aerogenerador en contra de! &iento" uti!i)ando e! mecanismo de orientaci+n( E! e0e de a!ta &e!ocidad está e#uipado de un freno de disco mecánico de emergencia" uti!i)ado en caso de fa!!o de! freno aerodinámico" o durante !as !abores de mantenimiento de !a turbina( G( ,orre- soporta !a g+ndo!a y e! rotor" y se sustenta en e! terreno a tra&és de una )apata de cimentaci+n( La a!tura de !a torre está re!acionada con !a cantidad de energa generada por e! aerogenerador( *osteriormente un transformador aumentará !a tensi+n e!éctrica para ser transportada a !a red e!éctrica(
CENTRALES EOLO-ELÉCTRICAS La ap!icaci+n más importante de !a energa e+!ica es !a generaci+n de e!ectricidad mediante e! emp!eo de !as aeroturbinas #ue acaban de ser ana!i)adas(
directo de
de
energa
!a
e!ectricidad
o
en
bateras"
pero
bien
con
uti!i)ando
genera!mente aerogeneradores de pe#ue1a potencia( En e! segundo caso" #ue &iene siendo más 'abitua!" e! apro&ec'amiento de! recurso e+!ico se rea!i)a mediante cone.i+n a red e!éctrica de !as aeroturbinas de gran potencia" constituyendo !o #ue se denomina par#ue e+!ico(
E! *!an de Energas Reno&ab!es de Espa1a" 339373" define !os principa!es parámetros de una insta!aci+n Ve+!ica tipoV con apro&ec'amiento energético( Estos datos se recogen en !a tab!a #ue se e.pone( *or otro !ado" en e! dise1o de un par#ue e+!ico !os aerogeneradores deben ser co!ocados de manera +ptima y en funci+n de di&ersas &ariab!es" como !a ubicaci+n de infraestructura e.istente $accesos y red e!éctrica%" !a &iabi!idad econ+mica" !os impactos paisa0stico ambienta!es $tratados en posteriores epgrafes% y !a producci+n de energa( En efecto" !as turbinas 'an de situarse a cierta distancia !as unas de !as otras" en términos de aerodinámica" puesto #ue e! paso de! &iento por !as pa!as de un aerogenerador genera turbu!encias en e! mismo( Como norma genera!" y en !a medida #ue !a topografa !o permita" !a separaci+n entre aerogeneradores en un par#ue e+!ico es de 9 a 8 diámetros de rotor en !a direcci+n de !os &ientos dominantes" y de G a 9 diámetros de rotor en !a direcci+n perpendicu!ar a !os &ientos dominantes( Los aerogeneradores más ofertados en e! mercado actua! constan de tres pa!as" pudiendo ser también de una o de dos( Esta mayor presencia se e.p!ica por#ue son más e#ui!ibrados" a! mismo tiempo #ue generan una menor contaminaci+n acQstica( De este modo" !a se!ecci+n técnica de un aerogenerador sue!e basarse en !a re!aci+n e.istente entre !a potencia e!éctrica #ue produce y e! tama1o de sus componentes" rotor y torre(
CONCLUSIÓN
E.pertos internaciona!es de! c!ima y e! medio ambiente 'an !!egado a !a siguiente conc!usi+n- !a tierra se ca!ienta" y !os recursos se acaban( Además( Las centra!es e!éctricas de !os P3 y 23 &an a tener #ue reemp!a)arse" todo esto con una situaci+n po!tica y econ+mica diferente a !a de entonces(
Ua no podemos seguir ignorando !os prob!emas medioambienta!es #ue nos rodean( Las grandes potencias parecen darse cuenta" y !a cantidad de partcu!as de CO emitidas se está empe)ando a reducir( La probabi!idad de #ue !as energas reno&ab!es sigan su proceso de ascenso es cada &e) mayor" por !o #ue e! sector de !a energa e+!ica tiene todas !as pape!etas para tener su futuro asegurado(