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USO DE LA ENERGÍA EÓLICA PARA PRODUCIR ENERGÍA
ELÉCTRICA EN EL CENTRO POBLADO DE VIQUES
INTRODUCCIÓN
El presente estudio se basa en la conversión de la Energía Eólica en Energía
Eléctrica para ser suministrado al Centro Poblado de Viques como una alternativa de
Generación que no deja residuos peligrosos y contar con un recurso inagotable que es el
aire. Dicho aprovechamiento del viento puede sustituir al combustible fósil, evitar el
recalentamiento terrestre y parar la gran emisión de millones de toneladas de dióxido de
carbono. Además a diferencia de otras fuentes de energía sus costos están bajando
como consecuencia del avance tecnológico en la producción de los equipos necesarios y
la complementación con la más moderna tecnología electrónica, sobre todo, puede
ayudar eficazmente a disminuir en forma drástica la emisión de dióxido de carbono a la
atmósfera.
Se hará una proyección de demanda a 20 años con datos históricos de la
población proporcionadas por el INEI y para la generación de la potencia se utilizarán
los datos de la velocidades del viento del lugar proporcionadas por el SENAMHI.
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CAPÍTULO I
DESCRIPCIÓN GENERAL
1. TIPO DE FUENTE
La fuente de generación a utilizar es la energía eólica para aprovechar la energía
del viento que hay en nuestro valle.
El generar energía eléctrica a base de energía eólica no requiere que exista un
proceso de combustión o una etapa de transformación térmica y, desde el punto de
vista medioambiental, es un procedimiento muy favorable por ser limpio y está
exento de problemas de contaminación
Cada Kwh. de electricidad generada con energía eólica en lugar de carbón, evita:
0,60 Kg. de CO2, dióxido de carbono.
1,33 gr. de SO2, dióxido de azufre.
1,67 gr. de NOx, óxido de nitrógeno.
2. UBICACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO
Viques se ubica en la provincia de Huancayo, departamento de Junín. Sus
límites son al Norte con Huayucachi, por el Sur con Cullhuas, en el Este con
Marcavalle y por el Oeste con Yanacancha.
3. CLIMA Y TEMPERATURA
El clima que se encuentra a una altitud de 3186 msnm es del tipo templado frio.
Latitiud: 12º 9’ 8’’
Longitud: 75º 14’ 14’’
La velocidad máxima del viento es de aproximadamente 6 m/s
4. POBLACIÓN
Población Censada - 2005: 1668
Tasa de crecimiento promedio anual: 1,35%
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
1. LA ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica es la energía que transfiere el viento a un rotor, el cual se
encarga de convertir esta energía eólica en energía motriz.
2. LA ENERGÍAEN EL VIENTO
En un aerogeneradorel flujode aire que atraviesael rotoresfunciónde lavelocidaddel
viento,el áreadel rotory la densidaddel aire.
ROTOR
El área de barridodel rotor estádefinidaporlalongitudde lapala.La velocidaddel
vientoque actúasobre el área de barridose convierte enenergíaeólica.
Rotor
A = área de barrido
del rotor
V = velocidaddel
viento
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3. POTENCIA CINÉTICA DEL VIENTO
La potencia cinética es la energía cinética por unidad de tiempo. La potencia
cinética es función de la velocidad del viento y del flujo másico, el cual a su vez es
función del flujo volumétrico y la densidad del aire.
El flujo volumétrico de viento se expresa mediante:
Flujovolumétrico = AV [m3
s⁄ ]
Donde:
A = área del rotor eólico [m2]
V = velocidad del viento [m/s]
El flujo másico de viento se expresa mediante:
Flujomásico = ρAV [kg s⁄ ]
Donde:
= densidad del aire [1,2 kg / m3)
A = área del rotor eólico [m2]
V = velocidad del viento [m/s]
La energía cinética del viento se expresa mediante:
𝑃 =
1
2
𝑚𝑉2 [ 𝐽]
Donde:
m = masa de aire [kg]
V = velocidad del viento [m/s]
La Potencia Cinética del Viento puede ser evaluada mediante:
𝑃 =
1
2
𝜌𝐴𝑉3 [ 𝑊]
Donde:
= densidad del aire [1,2 kg / m3)
A = área del rotor eólico [m2]
V = velocidad del viento [m/s]
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4. POTENCIA TEÓRICA MÁXIMA
En 1926, el Dr. Albert Betz formuló la máxima potencia teórica que se puede
extraer del viento, estableciendo para ello el “coeficiente de Betz”.
P es la potencia teórica máxima que se puede aprovechar del viento, y Po es la
potencia cinética del viento. Este gráfico ilustra como varia el ratio de potencia
máxima (P/Po) en función al ratio de velocidades V1 y V2. Se observa que la
potencia teórica máxima se obtiene cuando V2 / V1 es 1/3.
Existe relaciónentre lasvelocidades,V1 yV2,y la potencia
téoricamáximadel vientoque el rotorpuede utilizar.
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La Potencia Teórica Máxima (Betz) es:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎
= (
16
27
)
1
2
𝜌𝐴𝑉3 [ 𝑊]
Donde:
= densidad del aire (1,2 kg / m3)
A = área del rotor eólico (m2)
V = velocidad del viento (m/s)
Las potencias de aerogeneradores pueden ser estimadas mediante:
𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 0,15𝐴𝑉3 [ 𝑊]
Donde:
A = área del rotor eólico (m2)
V = velocidad del viento (m/s)
5. DENSIDAD DEL AIRE
La densidad del aire (ρ) puede ser evaluada mediante:
𝜌 =
𝑃
𝑅𝑇
[ 𝑘𝑔 𝑚3⁄ ]
Donde:
P = presión [Pa]
R = constante universal [287 J/kg-K]
T = temperatura [K]
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6. POTENCIA POR UNIDAD DE ÁREA
Considerando la densidad del aire 1,225 kg/m3, se puede obtener valores de la
potencia por unidad de área del rotor, expresada en Watts por m2.
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7. VARIACIÓN DENSIDAD VS. ALTURA
La densidad del aire, a determinada altura, se evalúa mediante:
𝜌 =
𝑃0 (1 −
𝛼𝑍
𝑇0
)
𝑔
𝛼𝑅
𝑅𝑇
[ 𝑘𝑔 𝑚3⁄ ]
Donde:
Z = altura [m]
Po = presión a nivel del mar: 1,01325 x 105 Pa
R = constante universal: 287 J/kg-K
g = aceleración de la gravedad: 9,81 m/s2
T = temperatura [K]
To = temperatura a nivel del mar: 288 K
= coeficiente: 0,0065 K/m
8. VARIACIÓN TEMPERATURA VS. ALTURA
La temperatura del aire, a determinada altura, se estima mediante:
𝑇 = 𝑇0 − 𝛼𝑍 [ 𝐾]
Donde:
Z = altura [m]
= coeficiente: 0,0065 K/m
To = temperatura a nivel del mar: 288 K
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CAPÍTULO III
PROYECCIÓN DE DEMANDA
1. TASA DE INCREMENTO POBLACIONAL (INEI)
𝑇𝑖𝑛𝑐 = (
𝑃𝑜𝑏𝑖
𝑃𝑜𝑏𝑜
)
1/𝑛
− 1
Donde:
- 𝑃𝑜𝑏𝑖:población del último censo
- 𝑃𝑜𝑏0: población de censo anterior
- 𝑇𝑖𝑛𝑐 ∶ tasa incremental en base a los censos
- 𝑛 ∶ número de años transcurridos entre censos
TASA DE CRECIMIENTO POBLACIONAL
CENSOS DE POBLACIÓN
Distrito Provincia 1,972 1,981 1,993 2,005
Viques Huancayo 1,150 1,353 1,503 1,668
Distrito Provincia de 1972 - 1981 de 1981 - 1993 de 1993 - 2005 TC(%)
Viques Huancayo 1.82% 0.88% 0.87% 1.35%
TC Prom. (%) 1.35%
2. PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN
𝑃𝑜𝑏𝑖 = 𝑃𝑜𝑏0 (1 + 𝑇𝑖𝑛𝑐 ) 𝑛
Donde:
- 𝑃𝑜𝑏𝑖: población proyectada
- 𝑃𝑜𝑏0: población inicial
- 𝑇𝑖𝑛𝑐: tasa incremental en base a los censos
- 𝑛: número de años a proyectar
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Población actual (2009): en base al censo 2005 y la tasa incremental calculado:
𝑃𝑜𝑏2009 = 𝑃𝑜𝑏2005 (1 + 0.0135)4
𝑃𝑜𝑏2009 = 1668(1+ 0.0135)4
𝑃𝑜𝑏2009 = 1760
Proyección de la población a 20 años (2029):
𝑃𝑜𝑏2029 = 𝑃𝑜𝑏2009 (1 + 0.0135)20
𝑃𝑜𝑏2029 = 1760(1 + 0.0135)20
𝑃𝑜𝑏2029 = 2300
3. NÚMERO DE FAMILIAS PROYECTADAS
#𝑓𝑎𝑚 =
𝑃𝑜𝑏2029
𝐷𝑒𝑛𝑓
Donde:
- #fam: número de familias al año2029
- 𝐷𝑒𝑛𝑓: densidad familiar igual a 6 (INEI)
#𝑓𝑎𝑚 =
2300
6
#𝑓𝑎𝑚 = 383
4. NÚMERO DE ABONADOS DOMICILIARIOS
#𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑑𝑜𝑚 = 𝐶𝐸. #𝑓𝑎𝑚
Donde:
- #𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑑𝑜𝑚 : número de abonados domiciliarios
- 𝐶𝐸 : coeficiente de electrificación igual a uno por tratarse de instalación nueva
#𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑑𝑜𝑚 = 383
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5. CONSUMO UNITARIO
𝑦 = 𝐴𝑥 𝐵
Donde:
- 𝐴 𝑦 𝐵 : son parámetros que depende del tipo de localidad, está en función al
número de habitantes y la zona donde se ubica el estudio
- 𝑦 : consumo unitario domiciliario por cada abonado en kW.h por año
- 𝑥: es el número de abonados domiciliarios
Cuyas ecuaciones normales son las siguientes:
∑ 𝑙𝑜𝑔( 𝑦) = 𝑛. 𝑙𝑜𝑔( 𝐴) + 𝐵. ∑ 𝑙𝑜𝑔(𝑥)
∑[ 𝑙𝑜𝑔( 𝑥). 𝑙𝑜𝑔( 𝑦)] = 𝑙𝑜𝑔( 𝐴).∑ 𝑙𝑜𝑔(𝑥)+ 𝐵. ∑[ 𝑙𝑜𝑔(𝑥)]2
Donde:
- 𝑛: número de datos de x o y
TABLA CONSTRUIDA A PARTIR DE DATOS HISTÓRICOS DE CONSUMO UNITARIO
AÑO Nº de Hab. X Y LOG(X) LOG(Y) (LOG(X))^2 LOG(X)*LOG(Y)
1993 1503 251 240 2.399673721 2.380211242 5.75843397 5.711730368
1994 1516 253 252 2.403120521 2.401400541 5.77498824 5.770854919
1995 1529 255 252 2.406540180 2.401400541 5.79143564 5.779066891
1996 1542 257 264 2.409933123 2.421603927 5.80777766 5.835903515
1997 1556 259 276 2.413299764 2.440909082 5.82401575 5.890645312
1998 1570 262 276 2.418301291 2.440909082 5.84818114 5.902853585
1999 1584 264 276 2.421603927 2.440909082 5.86416558 5.910915018
2000 1598 266 288 2.424881637 2.459392488 5.88005095 5.963735681
2001 1612 269 288 2.429752280 2.459392488 5.90369614 5.975714505
2002 1626 271 300 2.432969291 2.477121255 5.91933957 6.026759943
2003 1640 273 312 2.436162647 2.494154594 5.93488844 6.076166258
2004 1654 276 324 2.440909082 2.510545010 5.95803715 6.128012116
2005 1669 278 324 2.444044796 2.510545010 5.97335496 6.135884467
2006 1684 281 336 2.448706320 2.526339277 5.99616264 6.186262955
2007 1699 283 348 2.451786436 2.541579244 6.01125673 6.231409515
2008 1714 286 360 2.456366033 2.556302501 6.03373409 6.279214633
SUMATORIAS 38.83805 39.46272 94.27952 95.80513
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Reemplazando las sumatorias en las ecuaciones normales tenemos:
39.46272 = 16[ 𝑙𝑜𝑔(𝐴)]+ 𝐵(38.83805)
95.80513 = [ 𝑙𝑜𝑔( 𝐴)](38.83805)+ 𝐵(94.27952)
Resolviendo el sistema de ecuaciones obtenemos:
𝑙𝑜𝑔( 𝐴) = −4.58012 entonces 𝐴 = 2.62954∗ 10−5
𝐵 = 2.90294
Entonces la ecuación para la proyección del consumo unitario domiciliario
queda:
𝑦 = 2.62954 ∗ 10−5
𝑥2.90294
Ahora sabemos que para el 2029 tendremos 383 abonados domiciliarios y cada
uno tendrá un consumo al año de:
𝑦 = 2.62954∗ 10−5
∗ 3832.90294
𝑦 = 830 𝑘𝑊. ℎ
6. CONSUMO DE ENERGÍA EN EL SECTOR DOMICILIARIO (CESD)
𝐶𝐸𝑆𝐷 = #𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑑𝑜𝑚 × 𝐶𝑈𝐷
Donde:
- 𝐶𝑈𝐷 : consumo unitario domiciliario (y)
𝐶𝐸𝑆𝐷 = 383 × 830
𝐶𝐸𝑆𝐷 = 317890 𝑘𝑊.ℎ
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7. CONSUMO DE ENERGIA EN EL SECTOR COMERCIAL (CESC)
Abonados comerciales:
#𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑐𝑜𝑚 = 𝑘1 × #𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑑𝑜𝑚
Si hay menos a 1000 habitantes 𝑘1=0.1
Si hay entre 1000-2500 habitantes 𝑘1=0.16
Como nuestra población proyectada será de 2300 entonces el 𝑘1=0.16
#𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑐𝑜𝑚 = 0.16 × 383
#𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑐𝑜𝑚 = 61
Consumo unitario comercial(CUC):
𝐶𝑈𝐶 = 𝑘2 × 𝐶𝑈𝐷
Si hay menos a 2000 habitantes 𝑘2=1.15
Si hay mayor o igual 2000 habitantes 𝑘2=1.17
Como nuestra población proyectada será de 2300 entonces el 𝑘2=1.17
𝐶𝑈𝐶 = 1.17 × 830
𝐶𝑈𝐶 = 971
CESC:
𝐶𝐸𝑆𝐶 = #𝑎𝑏𝑜𝑛. 𝑐𝑜𝑚 × 𝐶𝑈𝐶
𝐶𝐸𝑆𝐶 = 61 × 971
𝐶𝐸𝑆𝐶 = 59231 𝑘𝑊.ℎ
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8. CONSUMO DE ENERGÍA EN ALUMBRADO PÚBLICO (CEAP)
𝐶𝐸𝐴𝑃 =
#𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑠 × 𝐶𝑈 × #ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 × #𝑑𝑖𝑎𝑠
#𝑑𝑖𝑎𝑠 × 𝑎ñ𝑜
Donde:
- 𝐶𝑈 : consumo unitario de cada lámpara, considerando el 10% de perdida de
energía en lámparas de descarga
𝐶𝐸𝐴𝑃 = 100 × 0.165 × 12 × 365
𝐶𝐸𝐴𝑃 = 72270 𝑘𝑊.ℎ
9. CONSUMO DE ENERGÍA DE USO GENERAL (CEUG)
𝐶𝐸𝑈𝐺 = 7% × 𝐶𝐸𝑆𝐷
𝐶𝐸𝑈𝐺 = 7% × 317890
𝐶𝐸𝑈𝐺 = 22252 𝑘𝑊.ℎ
10. CONSUMO NETO DE ENERGIA (CNE)
𝐶𝑁𝐸 = 𝐶𝐸𝑆𝐷 + 𝐶𝐸𝑆𝐶 + 𝐶𝐸𝐴𝑃 + 𝐶𝐸𝑈𝐺
𝐶𝑁𝐸 = 317890 + 59231 + 72270 + 22252
𝐶𝑁𝐸 = 471643 𝑘𝑊.ℎ
11. PERDIDAS EN DISTRIBUCION (PD)
𝑃𝐷 = 0.06 × 𝐶𝑁𝐸
𝑃𝐷 = 0.06 × 471643
𝑃𝐷 = 28299𝑘𝑊.ℎ
12. ENERGÍA A GENERAR (EG)
𝐸𝐺 = 𝐶𝑁𝐸 + 𝑃𝐷
𝐸𝐺 = 471643 + 28299
𝐸𝐺 = 500000 𝑘𝑊.ℎ
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13. MÁXIMA DEMANDA DE POTENCIA (MDP)
𝑀𝐷𝑃 =
𝐸𝐺
ℎ𝑈
Donde:
- ℎ𝑈 : horas de utilización
Si hay menos a 300 habitantes ℎ𝑈=1300
Si hay entre 300- 1000 habitantes ℎ𝑈=1500
Si hay entre 1000- 3000 habitantes ℎ𝑈=1800
Si hay entre 3000- 8000 habitantes ℎ𝑈=2000
Como nuestra población proyectada será de 2300 entonces el ℎ𝑈 =1800
𝑀𝐷𝑃 =
𝐸𝐺
ℎ𝑈
𝑀𝐷𝑃 =
500000
1800
𝑀𝐷𝑃 = 278 𝑘𝑊
14. MÁXIMA DEMANDA DE POTENCIA LOCAL (MDPL)
𝑀𝐷𝑃𝐿 = 𝑀𝐷𝑃
𝑀𝐷𝑃𝐿 = 278 𝑘𝑊
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CAPÍTULO IV
CÁLCULO DE LOS AEROGENERADORES
1. VELOCIDAD PROMEDIO DEL VIENTO
Los siguientes valores de velocidad del viento fueron proporcionados el
SENAMHI.
Del cual podemos sacar un promedio de velocidad de 5 m/s.
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4. CANTIDAD Y COSTO DE LOS AEROGENERADORES
Sabemos que la máxima demanda de potencia local es de 278 kW y que con
cada aerogenerador podemos generar 2.6 kW entonces el número de aerogeneradores
requeridos es:
#𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 =
278
2.6
#𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = 107
Ya que el número de abonados domiciliarios serán 383 cada aerogenerador
puede ser usado entre 3 o 4 familias.
En el siguiente cuadro se muestra el costo de cada aerogenerador en US$.
Rotor (palas, cambiador de paso, cubo) 400
Parte eléctrica (generador, controles, etc) 250
Turbina de viento 1600
Torre de cimentación 245
COSTO DEL EQUIPO 2495
Transporte, preparación terreno 100
COSTO TOTAL DEL EQUIPO 2595
Entonces ya que serán necesarios 107 aerogeneradores, el costo total de todos
los aerogeneradores será:
𝐶𝑇 = 107 ∗ 2595
𝐶𝑇 = 277665 𝑈𝑆$
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CAPÍTULO V
PARTES GENERALES Y ESQUEMA DE INSTALACIÓN
1. GENERADOR ELÉCTRICO
Para cargadores de baterías puede utilizarse alternadores de automóvil, la
desventaja es que requieren sistemas de control muy precisos y transmisiones
mecánicas de velocidad dado su alto régimen de velocidad de operación.
La tecnología más difundida en el mundo es la del generador de imanes
permanentes. Puede operar en un amplio rango de velocidades y requiere
relativamente baja velocidad para alcanzar condiciones nominales de operación.
Pueden ser de rotor axial o de rotor cilíndrico, ya sea el rotor interior o exterior.
2. BATERÍAS
El principal parámetro a tener en cuenta es la profundidad de descarga.
En sistemas eólicos se recomienda el uso de baterías de ciclo profundo. Estas
alcanzan niveles de descarga de hasta el 70% sólo en casos eventuales, sus
niveles de descarga nominales son del 60%.
En sistemas pequeños se utilizan mayormente capacidades de 80-100A-h.
La capacidad de una batería es función del tiempo de descarga.
Las baterías experimentan una continua descarga, esto se conoce como
autodescarga y sus valores deben ser suministrados por el fabricante.
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La capacidad se expresa en A-h (Amperio-hora) ya va acompañada de de un
subíndice que expresa el tiempo de descarga para dicha capacidad, por ejemplo,
C5, C15 representan la capacidad con tiempos de descarga de 5 y 15 horas.
Los principales tipos son de Ni-Cd (Niquel Cadmio), Pb-Sb (Plomo Antimonio)
y Pb-Ca (Plomo calcio)
3. REGULADOR ELECTRÓNICO
Protección de baterías contra sobrecarga.
Protección de las baterías contra descargas excesivas mediante la desconexión
automática de la carga.
Reconexión automática o manual.
Sistema de alarma por baja carga de baterías.
Otros sistemas más sofisticados cumplen la función de elevar el voltaje en
regímenes de vientos bajos, estos sistemas llevan el nombre comercial de power
boost.
Los sistemas electrónicos operan con resistencias o transistores de disipación
(dump load) los cuales consumen la energía producida por la turbina cuando las
baterías están completamente cargadas.
Curva típica de autodescarga
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4. TORRE
Provee a la turbina la altura necesaria para que supere obstáculos y pueda
alcanzar velocidades de viento uniformes y altas respecto al nivel del terreno.
Pueden ser tubulares o estructurales. La principal consideración en su diseño es
la frecuencia natural de vibración la cual debe ser alejada de la velocidad nominal de
rotación de la turbina.
Tipos de torres
TORRES TUBULARES DE ACERO
TORRES DE CELOSÍA
TORRES DE MÁSTIL TENSADOS CON VIENTOS
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Esquema de instalación de un aerogenerador
Modelo de un aerogenerador de 5m de diámetro
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CAPÍTULO VI
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
1. VENTAJAS
Es una fuente de energía segura y renovable.
No produce emisiones a la atmósfera ni genera residuos, salvo los de la
fabricación de los equipos y el aceite de los engranajes.
Se trata de instalaciones móviles, cuya desmantelación permite recuperar
totalmente la zona.
Rápido tiempo de construcción (inferior a 6 meses).
Es una buena fuente de energía para sitios aislados.
Beneficio económico para los municipios afectados (canon anual por ocupación
del suelo). Recurso autóctono.
Se crean puestos de trabajo.
2. DESVENTAJAS
Impacto visual: su instalación genera una alta modificación del paisaje.
Impacto sobre la avifauna: principalmente por el choque de las aves contra las
palas, efectos desconocidos sobre modificación de los comportamientos
habituales de migración y anidación.
Impacto sonoro: el roce de las palas con el aire produce un ruido constante.
Imposibilidad de ser zona arqueológicamente interesante.
Fuente de energía aleatoria e intermitente, resulta arriesgado depender de ella si
no se cuenta con algún sistema que la acumule.
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Según los cálculos el número total de aerogeneradores hace que tengamos que
ocupar bastante terreno para la instalación.
Es posible reducir el número de aerogeneradores aumentado el área de barrido
del rotor.
Si cada familia aportara un promedio de 800US$ tendría energía por 20 años.
Debido a que los cálculos son solo teóricos y a la falta de experiencias reales de
instalaciones anteriores existe la posibilidad de que la generación sea menor.
Existe mucho desconocimiento de la tecnología en áreas rurales y los pobladores
no confían en este tipo de generación.
Se necesita recomendaciones específicas de los especialistas nacionales para
promover el empleo de la energía eólica.
Debemos apoyar económicamente al SENAMHI para que precise la información
de su base de datos eólica y defina zonas de interés para una evaluación más
especializada.