marina de guerra del perú escuela superior
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MARINA DE GUERRA DEL PERÚ ESCUELA SUPERIOR DE GUERRA NAVAL Trabajo de investigación para obtener la Segunda Especialidad Profesional En Hidrografía y Navegación. “Estudio del sistema Aerogenerador Windside para mantener el suministro de energía de los faros en zonas remotas y aisladas del litoral peruano” Presentado por Afra. Luis Córdova Contreras Lic. Carmen Francia Asesor Metodológico C. de F.® Carlos Moreno Gonzales Tte. 2° Julio Salinas Viera Asesor Técnico-Especialista La Punta, 2015 A Dios, quien siempre fue, es y será mi luz y guía; a mis padres y hermanos; a las personas que son parte importante en mi vida. i AGRADECIMIENTOS A nuestra gloriosa Marina de Guerra del Perú, por hacernos propicios de sus grandezas y semilleros con mejores enseñanzas para servirla con mente, alma y corazón. A la Dirección de Hidrografía y Navegación, por permitirnos elevar nuestro nivel de capacitación y brindarnos el apoyo necesario para cumplir con nuestro aprendizaje. A las personas que brindaron su conocimiento y experiencia, con el fin de elaborar, mejorar y concretar el presente trabajo de investigación. ii INDICE INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 1 CAPÍTULO I: MARCO TEÓRICO ................................................................. 3 1.1. ........................................................................................................... Plante amiento del Problema .................................................................................... 3 1.2. ........................................................................................................... Justifi cación de la investigación .............................................................................. 4 1.2.1. .................................................................................................. Para la Dirección de Hidrografía y Navegación .......................................... 4 1.2.2. .................................................................................................. Para el Departamento de Señalización ......................................................... 4 1.3. ........................................................................................................... Objeti vos de la investigación ................................................................................... 4 1.3.1. .................................................................................................. Objeti vo general ............................................................................................. 4 1.3.2. .................................................................................................. Objeti vos Específicos ..................................................................................... 7 1.4. ........................................................................................................... Metod ología empleada ............................................................................................. 5 1.5. ........................................................................................................... Antec edentes ........................................................................................................... 5 iii 1.6. ........................................................................................................... Defini ciones conceptuales........................................................................................ 6 1.7. ........................................................................................................... Hipóte sis ................................................................................................................... 7 1.7.1. .................................................................................................. Hipóte sis general............................................................................................. 7 1.7.2. .................................................................................................. Hipóte sis específicas ....................................................................................... 7 CAPITULO II: FAROS ..................................................................................... 9 2.1. ........................................................................................................... Defini ción................................................................................................................. 9 2.2. ........................................................................................................... Tipos de suministro actual ...................................................................................... 10 2.2.1. .................................................................................................. Sistem a Fotovoltaico....................................................................................... 10 2.2.2. .................................................................................................. Baterí as Primarias ......................................................................................... 10 2.2.3. .................................................................................................. Red pública de energía eléctrica ................................................................. 11 2.2.4. .................................................................................................. Grupo s Electrógenos ...................................................................................... 11 2.3. ........................................................................................................... Locali zación ............................................................................................................. 11 iv CAPÍTULO III: AEROGENERADOR WINDSIDE ...................................... 12 3.1. ........................................................................................................... Caract erísticas .......................................................................................................... 14 3.2. ........................................................................................................... Model os .................................................................................................................... 14 3.2.1. .................................................................................................. Model o según área de barrido ....................................................................... 15 3.2.2. .................................................................................................. Model o según resistencia del viento ............................................................... 17 3.3. Producción de energía aproximada anual (KW-h/año) / velocidad de viento estimada anual (m/s) ...................................................................................... 17 CAPÍTULO IV: ESTUDIO DE VIENTOS ...................................................... 18 4.1. ........................................................................................................... Obten ción de datos .................................................................................................. 18 4.2. ........................................................................................................... Zonas apropiadas ...................................................................................................... 18 CAPÍTULO V: EJECUCIÓN DEL TRABAJO .............................................. 21 5.1. ........................................................................................................... Elecci ón del faro Punta Telégrafo............................................................................ 21 5.2. ........................................................................................................... Ubica ción del faro Punta Telégrafo......................................................................... 24 5.3. ........................................................................................................... Necesi dades energéticas del faro Punta Telégrafo ................................................... 24 v 5.4. ........................................................................................................... Cálcul o de energía necesaria diaria del faro Punta Telégrafo .................................. 25 5.4.1. Cálculo de energía necesaria diaria del faro Punta Telégrafo ........... 25 5.4.2. Cálculo de energía necesaria anual del faro Punta Telégrafo ............ 25 5.4.3. Cálculo de velocidad del viento a la altura de trabajo ........................ 25 5.5. ........................................................................................................... Selecc ión de turbina ideal......................................................................................... 27 5.6. ........................................................................................................... Altura mínimo de instalación del aerogenerador WS-2 ............................................ 27 5.7. ........................................................................................................... Selecc ión del sub-modelo del Aerogenerador WS-2 ............................................... 28 5.7.1. .................................................................................................. Cálcul o del sub-modelo del aerogenerador Windside WS-2 .......................... 29 CONCLUSIONES .............................................................................................. 33 ANEXOS .............................................................................................................. 34 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .............................................................. 35 vi LISTA DE FIGURAS Figura 1. Aerogenerador Windside ....................................................................... 12 Figura 2. Aerogenerador Windside instalado en un faro ...................................... 13 Figura 3. Aerogenerador Windside modelo WS-0.15B ........................................ 15 Figura 4. Aerogenerador Windside modelo WS-0.30B (Izquierda) y WS-0.30A8 (Derecha)............................................................................................................... 15 Figura 5. Aerogenerador Windside modelo WS-2B (Izquierda) y WS-2AK (Derecha)............................................................................................................... 16 Figura 6. Aerogenerador Windside modelo WS-4B (Izquierda) y WS-4A (Derecha)............................................................................................................... 16 Figura 7. Producción de energía aproximada anual .............................................. 17 Figura 8. Viento prevaleciente en m/s, media mensual multianual ...................... 20 Figura 9. Ubicación geográfica del faro Punta Telégrafo ..................................... 24 Figura 10. Ecuaciones de modelo ......................................................................... 28 Figura 11. Curvas de energía (0-30 m /s) Sub-modelo “City”.............................. 30 Figura 12. Curvas de energía (0-30 m /s) Sub-modelo “A”.................................. 31 vii LISTA ACRÓNIMOS IALA/AISM : Asociación Internacional de Ayudas a la Navegación Marítima y Autoridades de Faro. TSS : Separación de Tráfico Marítimo. MSM : Mediterráneo Señales Marítimas. viii LISTA DE TABLAS Tabla 5.1. Intensidades eficaces en candelas .................................................. 22 Tabla 5.2: Rango nominal nocturno................................................................ 23 ix x INTRODUCCIÓN El presente trabajo de investigación para optar la 2da especialidad profesional en Hidrografía establece como tema el estudio del sistema aerogenerador Windside para mantener el suministro de energía de los faros en zonas remotas y aisladas del litoral peruano. Por otro lado, se contribuye con la línea de investigación de recursos institucionales porque se desarrolla un nuevo método que eleven la eficiencia y eficacia en la operatividad de las ayudas a la navegación en el litoral peruano. Asimismo, la idea central de la investigación gira en torno a explicar las características de los aerogeneradores Windside y las condiciones necesarias para su instalación, por ello en la generación de hipótesis se plantea el estudio de los aspectos relacionados a un sistema aerogenerador Windside que permitan establecer su instalación de manera alterna a los sistemas de suministro de energía existentes en las linternas marinas ubicadas zonas remotas y aisladas del litoral peruano. En el capítulo I se desarrolla el marco teórico, en él se ubicará el planteamiento del problema, así como los antecedentes, definiciones operacionales e hipótesis. Luego en el capítulo II los faros, se explica la definición y funciones. Se continúa en el capítulo III describiendo el sistema aerogenerador Windside, detallando los componentes y características para su instalación. Posteriormente el capítulo IV se describe la ejecución del trabajo dando énfasis a la operatividad de los equipos respecto a las condiciones apropiadas para su instalación. Finalmente se establecen las conclusiones. 1 En cuanto a las fortalezas de la investigación se puede indicar el apoyo de personal técnico del departamento de señalización náutica y la continua comunicación con representantes de la empresa LGT SOLAR. Las debilidades que se pueden señalar son la falta de tiempo y la poca información manejada sobre este tipo de aerogenerador relativamente nueva y prometedora. CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO 2 1.1 Planteamiento del problema La Dirección de Hidrografía y Navegación tiene como principal función, brindar un sistema de ayudas a la navegación moderno y eficiente, con la finalidad de evitar abordajes y accidentes en la mar, es por ello que delega funciones a los distintos departamentos que la conforman. El Departamento de Señalización es uno de los más importantes, debido a que tiene como función la operatividad y mantenimiento de los diferentes equipos, sistema de boyas y faros en todo el Territorio Nacional (litoral, amazonia y lago Titicaca). Actualmente, se están buscando nuevos sistemas de alimentación eléctrica, alternativos a los sistemas existentes en zonas aisladas y remotas a lo largo del litoral peruano; Esta red de linternas marinas por su ubicación, no tienen acceso a la red eléctrica comercial y están siendo afectadas por diversos problemas entre los cuales se encuentran las condiciones marinas y meteorológicas adversas en dichas zonas; Este problema se ve intensificado debido a la dificultad para el acceso. Finalmente, es por ello que se requiere establecer nuevas alternativas de suministro de energía que trabajen de manera alternativa a los sistemas de suministro de energía existentes, por lo que se plantea lo siguiente: ¿El aerogenerador tipo Windside optimizará las fuentes de energía para los faros en zonas aisladas y remotas del litoral norte peruano? 1.2 Justificación de la investigación 1.2.1 Para la Dirección de Hidrografía y Navegación 3 La presente investigación tendrá la importancia de permitir conocer cuáles son las características de una nueva alternativa para el suministro de energía, aplicables a la Red de Faros aislados del litoral peruano, cumpliendo con la línea de investigación y desarrollo para la defensa, e impulsar el desarrollo y obtención de información valiosa para nuestro país. 1.2.2 Para el Departamento de señalización La presente investigación tendrá la importancia de permitir la disponibilidad de la Red de Faros en zonas aisladas y remotas del litoral peruano, cumpliendo con las tareas encomendadas al Departamento de Señalización Náutica que permita mantener operativa esta red de faros 1.3 Objetivos de la investigación 1.3.1 Objetivo general Estudio de los aspectos relacionados a un Sistema Aerogenerador Windside para evaluar su instalación de manera alterna a los sistemas de suministro de energía existentes de los faros ubicadas zonas remotas y aisladas. 1.3.2 Objetivos específicos a. Describir las características técnicas y operativas del sistema aerogenerador Windside. b. Determinar las zonas del litoral peruano que presenten condiciones meteorológicas de viento óptimas para la instalación de un sistema aerogenerador Windside. 4 c. Evaluar las condiciones operativas necesarias para el funcionamiento del sistema aerogenerador Windside en el faro Punta Telégrafo. d. Establecer la factibilidad económica para evaluar la instalación de un Sistema Aerogenerador de manera alterna a los sistemas de suministro de energía existentes. 1.4 Metodología empleada La metodología a emplear corresponde a los trabajos explicativos, es decir se procesa la información necesaria para entender por qué es importante que los faros mantenga siempre sus suministros de energía, cómo funcionan los aerogeneradores tipo Windside, para finalmente explicar la importancia de contar con esta nueva fuente de energía para el óptimo desarrollo de las ayudas a la navegación. 1.5 Antecedentes Como balance historiográfico, los antecedentes mencionados a continuación establecen la necesidad de emplear una tecnología más avanzada que permita a la Dirección de Hidrografía y Navegación ser respetuosa con el medio ambiente y apoyar la política medioambiental del país Título: “Estudio, diseño y construcción de un prototipo de generador eólico para el sector costero de la xiv región, en corral” Autor: Richard Alex Velásquez Cárcamo Año: 2010 5 Descripción: El objetivo de este trabajo es solucionar el problema de abastecimiento energético en zonas costeras pertenecientes a la comuna de Corral, ya que aún hay localidades que no cuentan con energía eléctrica. El presente trabajo se presenta, a través de un análisis y estudio de los generadores eólicos, sus características, tipos y funcionamiento en general. También, seguido de esto, se realiza un estudio detallado del comportamiento del viento relacionado con la energía eólica. Título: “Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de eje vertical Autor: Juan Cristóbal Antezana Nuñez Año: 2004 Descripción: El presente trabajo consiste en el diseño e implementación de un prototipo de aerogenerador de eje vertical para abastecer de energía eléctrica a pequeños consumos en zonas aisladas de la red eléctrica. Esta iniciativa surge con el propósito de aprovechar el recurso eólico, práctica poco habitual considerando el potencial energético que posee Chile y las innumerables posibilidades de aplicación. 1.6. Definiciones operacionales - Energía eólica: es una fuente de energía renovable que utiliza la fuerza del viento para generar electricidad. El principal medio para obtenerla son los aerogeneradores. - Aerogenerador: Generador de energía eléctrica que es accionado por la fuerza del viento. - Faros: Torre alta situada en las costas y puertos que emite una luz potente a intervalos para orientar de noche a los navegantes. 6 - Alcance luminoso: Es la distancia máxima en la que una señal de luz puede ser vista por el ojo del observador en una hora determinada como está establecido por la visibilidad meteorológica prevaleciente en ese momento. No tiene en consideración la elevación, la altura del observador, ni la curvatura de la tierra. - Alcance geográfico: Esta es la mayor distancia a la que un objeto o fuente de luz puede verse bajo condiciones de perfecta visibilidad limitado solamente por la curvatura de la tierra, la refracción de la atmósfera, la elevación del observador y el objeto o luz (Diccionario de la IALA 2-1-25). - Desviación estándar: La desviación estándar es un índice numérico de la dispersión de un conjunto de datos (o población). Mientras mayor es la desviación estándar, mayor es la dispersión de la población. 1.7. Hipótesis 1.7.1. Hipótesis General Si se estudia los aspectos relacionados a un Sistema Aerogenerador Windside se podrá evaluar su instalación de manera alterna a los sistemas de suministro de energía existentes de los faros ubicados en el litoral peruano. 1.7.2. Hipótesis Específicas a. Si se describen las características técnicas y operativas del sistema aerogenerador Windside. se podrá evaluar su instalación de manera alterna a los sistemas de suministro de energía existentes. 7 b. Si se determina las zonas del litoral peruano donde se presenten intensidades de vientos necesarias para la instalación de un sistema aerogenerador Windside se podrá evaluar su instalación de manera alterna a los sistemas de suministro de energía existentes. c. Si se evalúan las condiciones operativas necesarias del sistema aerogenerador Windside en el faro Punta Telégrafo se podrá evaluar su instalación de manera alterna a los sistemas de suministro de energía existentes. d. Si se establece la factibilidad económica de un Sistema Aerogenerador Windside se podrá evaluar su instalación de manera alterna a los sistemas de suministro de energía existentes. CAPÍTULO II. FAROS 2.1. Definición Un faro es una torre, edificio o estructura importante, levantada en una posición geográfica determinada, para servir de soporte a una señal luminosa y proporcionar una significativa marca diurna. El faro está dotado de una luz que sirve para su 8 identificación nocturna. También sirve de plataforma para otras ayudas a la navegación marítima. Además puede proporcionar una o más funciones a la navegación, con el fin de brindar información relevante a los navegantes para mantener una navegación segura a lo largo de su travesía. - Marcar una posición de recalada a tierra; - Señalar una obstrucción o peligro (un islote o isla) - Indicar los límites laterales de un canal o vía navegables; - Indicar un punto de giro o una unión de canales navegables; - Señalar la entrada de un dispositivo de Separación de Tráfico Marítimo (TSS); - Formar parte de una enfilación; - Señalar una zona; - Dar una referencia para que los navegantes tomen un rumbo o una Línea de Posición (LOP). Sin embargo no es infrecuente que los faros, en particular, se usen para otros propósitos que pueden incluir: - Función de observación costera o guardacostas; - Base de señales audibles (para niebla); - Recolección de datos meteorológicos y oceanográficos; - Proporcionar prestaciones de telecomunicaciones y radio; - Utilidades turísticas. 2.2. Tipos de suministro actual 2.2.1. Sistema Fotovoltaico Es un sistema el cual permite aprovechar la energía solar, convirtiéndola en energía eléctrica. 9 (Escobar Mejia, Torres, & Hincapie Isaza, 2010) afirma: Los sistemas fotovoltaicos o sistemas PV se refieren a una amplia variedad de sistemas de energía solar que usan paneles hechos de celdas de silicio policristalino o mono-cristalino, las cuales son empleadas para convertir energía solar en electricidad. A pesar de que la eficiencia de estos sistemas está entre un 20% y un 40%, su estudio e implementación ha sido investigado ampliamente a nivel mundial debido a su impacto ambiental. (p.32) 2.2.2. Baterías Primarias Son aquellas que una vez que se agotan son desechadas, generalmente constan de dos metales diferentes, o bien un metal y carbón (estos elementos son designados electrodos), y un líquido, denominado electrolito. Uno de estos elementos llamado el cátodo, o sea el polo negativo, es generalmente de zinc; el positivo, denominado ánodo, es casi siempre de carbón. Las reacciones químicas que tienen lugar, hacen que el cátodo se disuelva poco a poco en el electrólito, lo cual pone en libertad a electrones que, de encontrar un conductor o sistema que conecte a ambos electrodos, por donde puedan circular, producen una corriente eléctrica. 2.2.3. Red Pública de Energía Eléctrica Es el sistema de suministro de energía eléctrico cuya función es la distribución hasta los usuarios finales, generalmente entregada por las diferentes empresas donde están instalados los faros. 2.2.4. Grupos Electrógenos 10 Es una máquina que mueve un generador eléctrico a través de un motor de combustión interna. Son comúnmente utilizados cuando hay déficit en la generación de energía eléctrica de algún lugar, o cuando son frecuentes los cortes en el suministro eléctrico. 2.3. Localización Los faros del litoral peruano se encuentran ubicados en morros, islas, islotes y puntas, por lo cual se entiende lo complicado del acceso a estos lugares. En el anexo I se presentan cuadros e imágenes donde observamos las características, ubicación, alcance geográfico, alcance luminoso, entre otras características de cada faro que se encuentra bajo la jurisdicción del estado peruano a través de la Marina de Guerra del Perú. CAPÍTULO III. AEROGENERADOR WINDSIDE Es un equipo que permite transformar la energía eólica en energía eléctrica similar al rotor Savonius aunque, en vez de la estructura cilíndrica para el aprovechamiento del viento, consiste en un perfil alabeado con torsión que asciende por el eje vertical. (Gallego, 2013) 11 Figura 1: Aerogenerador tipo Windside. Fuente: Recuperado de www.mesemar.com (Velásquez, 2010) afirma: “Este es un prototipo concebido por una empresa finlandesa Windside. Esta tecnología relativamente nueva y prometedora tiene rendimientos similares a los aerogeneradores de eje horizontal y es aplicada para abastecer pequeños consumos” (p.37). 12 Se considera aerogenerador de eje vertical debido a que su eje de rotación es perpendicular al piso. En la figura 4. se puede apreciar un aerogenerador Windside instalado en un faro. Figura 2: Aerogenerador Windside instalado en un faro Fuente: Recuperado de www.windside.com 3.1. Características Según la (Mediterráneo Señales Marítimas, s.f.) Los aerogeneradores WINDSIDE es un complemento ideal para la carga de baterías, convirtiendo la energía eólica en electricidad. Además están especialmente indicados para ser instalados en altamar, pequeñas islas, embarcaciones, ayudas a la navegación entre 13 otras. Una de sus principales ventajas de su construcción de eje vertical es que su velocidad de giro es auto-regulable, incluso en condiciones de viento extremo, y proporcionan la más alta eficacia y durabilidad, con un mínimo mantenimiento. Entre sus principales características se encuentran: 3.2. - Aerogenerador de eje vertical basado en principios de ingeniería de vela. - Su turbina gira mediante dos paletas en forma de espiral. - No es necesaria su detención, ni una fijación extra durante las tormentas. - No necesita girarlo en la dirección del viento. - Soporta la nieve, el hielo, el calor y la humedad. Modelos Los aerogeneradores WINDSIDE se dividen en modelos que dependen del área de barrido, pero a su vez cada uno estos modelos se sub-dividen en dos tipos más. Los modelos tipo A y tipo B que dependen de la clase de resistencia del viento. 3.2.1. Modelo según su área de barrido 14 Figura 3: Aerogenerador Windside modelo WS-0.15B. Fuente: Recuperado de www.mesemar.com Figura 4: Aerogenerador Windside modelo WS-0.30B (Izquierda) y WS-0.30A8 (Derecha) Fuente: Recuperado de www.mesemar.com 15 Figura 5: Aerogenerador Windside modelo WS-2B (Izquierda) y WS-2AK (Derecha) Fuente: Recuperado de www.mesemar.com Figura 6: Aerogenerador Windside modelo WS-4B (Izquierda) y WS-4A (Derecha) Fuente: Recuperado de www.mesemar.com 3.2.2. Modelo según resistencia del viento 16 Estos representan los modelos según su capacidad para resistir velocidades menores a 60 m/s y 40 m/s por la forma de soporte del aerogenerador. 3.3. Modelo A = 60 m/s (134 mph / 216 km/h) Modelo B = 40 m/s (90 mph / 144 km/h) Producción de energía aproximada anual (KW-h/año) Es necesario conocer la producción de energía aproximada anual (Figura 7.) de cada modelo del aerogenerador Windside para evaluar el más eficiente según requerimiento. Figura 7: Producción de energía aproximada anual Fuente: Recuperado de www.mesemar.com CAPÍTULO IV. ESTUDIO DE VIENTOS 17 4.1. Obtención de datos Al ser el viento la fuerza que permite generar la energía eléctrica propuesta para el desarrollo de la investigación, es necesario indicar cuales son los criterios que se requieren para la medición de vientos. Según Normas Técnicas Hidrográficas N°4 se necesita mediciones in situ en un periodo continuo de 06 meses con intervalos de medición de cada hora. La estadística base para la climatología del lugar debe contener una base de datos de 10 años de información. Con las condiciones antes mencionadas, se recolectó información de la base de datos de la división de meteorología del departamento de oceanografía de la Dirección de Hidrografía y Navegación (Figura 5.) durante un periodo de 29 años, la cual es muy superior a lo requerido por la Norma Técnica Hidrográfica N°4, lo cual aumenta la confiabilidad de frecuencia de intensidades de los vientos. 4.2. Zonas apropiadas La costa peruana presenta una variabilidad considerable de intensidades de vientos dependiendo de la latitud del punto de estudio. Es necesario mencionar que el presente trabajo solo se basa en la intensidad del viento, ya que la dirección del viento es un factor irrelevante por las características del Aerogenerador Windside debido a que no se necesita girarlo en dirección del viento para mover la turbina, por la forma espiral de sus dos paletas que permiten que el viento influya en cualquier dirección (Tituaña, 2015). En base a las consideraciones antes mencionadas, se seleccionaron cinco zonas las cuales presentan promedios anuales mayores o iguales a 4.6 m/s, excluyéndose 2 18 zonas que presentan promedios anuales de 4.7 m/s y 4.6 m/s, debido a que presentan una desviación estándar considerablemente alta, lo cual representa una gran dispersión de datos significando que existen meses en esas zonas con lecturas de intensidades de viento altas y otros meses que presentan intensidades de viento bajas, ocasionando que la ayuda a la navegación pueda quedar inoperativa durante periodos en el cual la intensidad de viento no alcance la velocidad mínima de arranque del aerogenerador Windside. 19 Figura 8: Viento prevaleciente en m/s, media mensual multianual. Periodo: 1981-2010 Fuente: Dirección de Hidrografía y Navegación, Departamento de Oceanografía. 20 1.90 1.75 4.73 5.92 4.68 2.62 2.57 4.17 2.57 7.25 5.04 4.73 6.12 1.80 4.12 El Salto Paita I.Lobos de Afuera Pacasmayo Salaverry Chimbote Huacho Chucuito Isla La Vieja Pisco San Juan Atico Mollendo Ilo 4.63 1.85 7.20 4.58 5.20 7.67 2.62 2.98 2.37 2.26 4.78 6.53 4.53 m/s m/s 4.17 2.01 7.67 5.20 5.04 6.69 2.62 2.93 2.52 2.11 4.89 5.71 4.32 2.31 MAR FEB PERIODO: 1981 - 2010 ESTACIONES ENE METEOROLÒGICAS m/s 3.14 1.90 7.41 6.12 4.58 7.97 2.57 2.83 2.62 2.52 4.68 7.31 4.32 2.93 m/s ABR 2.83 1.90 7.05 3.55 4.32 7.97 2.42 2.68 2.62 2.26 4.42 8.18 4.73 2.73 m/s MAY 2.98 1.75 6.79 6.07 3.34 7.56 2.21 2.47 2.57 2.16 4.32 6.94 4.73 1.95 m/s JUN 3.04 1.65 7.10 3.55 4.48 8.39 2.37 2.26 2.68 2.16 4.17 7.00 5.20 2.11 m/s JUL 2.98 1.75 6.89 3.40 5.04 8.69 2.47 2.21 2.62 2.26 4.53 6.48 5.14 2.31 m/s AGO 2.37 1.75 7.00 5.92 5.30 9.00 2.52 2.73 2.78 2.88 4.94 7.20 5.35 2.37 m/s SET 3.45 1.70 6.79 5.50 5.04 9.16 2.62 2.78 2.78 2.88 5.04 6.84 5.25 2.31 m/s OCT 3.29 1.80 6.43 5.20 5.20 8.23 2.57 2.83 2.93 2.78 4.68 7.05 5.35 2.47 m/s NOV 3.40 1.85 6.28 2.62 2.78 7.20 2.57 3.04 2.68 2.88 4.42 6.28 5.20 2.62 m/s DIC Año 3.39 1.84 6.88 4.74 4.58 7.82 2.52 2.89 2.63 2.47 4.64 6.76 4.84 2.34 4.55 0.11 2.24 15.19 6.97 6.24 0.17 2.73 0.22 1.08 0.77 4.86 1.65 1.33 Promedio (m/s) Desv. Estándar (m/s) Año CAPÍTULO V. EJECUCIÓN DEL TRABAJO 5.1. Elección del faro Punta Telégrafo Se decidió realizar la estimación del recurso eólico con un faro que se encuentre dentro de las zonas favorables por las condiciones meteorológicas que se presentan, con estos parámetros se eligió el faro Punta Telégrafo-Piura. Según la Tabla 5. (Viento prevaleciente en m/s, media mensual multianual. Periodo: 1981-2010), existen condiciones meteorológicas favorables en la ubicación del faro, teniendo en cuenta que la velocidad mínima considerada para los diferentes modelos es de 4 m/s Según la tarjeta de características del faro Punta Telégrafo del Informe Técnico MANTENIMIENTO DE LAS AYUDAS A LA NAVEGACIÓN MARÍTIMA LITORAL NORTE (Anexo II), dicho faro es de orden 2° (Mediano Alcance) y cuenta con un alcance luminoso de 18 millas náuticas Actualmente no se cumple con dichas características. Según entrevista con el técnico-especialista del departamento de señalización náutica, el sistema fotovoltaico permite al faro trabajar con una linterna APRB-252 DC con 6 lámparas incandescentes modelo CC-8 de 3.0 Amp. 12 V. y trabajando a 3 RPM. Según las intensidades eficaces en candelas (tabla 4.) podemos determinar cuál es el rango nominal nocturno del faro en millas náuticas (tabla 5). En primer lugar hay que identificar la lámpara de 12 V. 3.0 A CC-8 y relacionarla con la columna de RPM y FLASH INTERVAL del BR (Blondel-Rey method), y de esta manera obtener la efectividad de intensidad. Como bien se puede observar no existe una columna que nos represente 3 RPM, por lo tanto trabajaremos con 2 RPM considerando que es el más próximo y obtendremos 54,800 candelas o 54.8 kilo-candelas. 21 Figura 9: Intensidades eficaces en candelas Fuente: Recuperado de http://amerjin.com/aprb252.pdf Finalmente, buscaremos intensidad luminosa en que rango se encuentra 54.8 kilocandelas obteniendo un rango nominal 18 millas. Hay que tener en consideración que todos los valores son redondeados y estamos trabajando con 2 RPM lo cual no corresponde a la linterna del faro Punta Telégrafo, por lo que trabajando con 3 RPM corresponde un alcance menor a las 18 millas náuticas. 22 Figura 10: Rango nominal nocturno Fuente: IALA (Señales Luminosas Marítimas Parte 2 – El Cálculo, la Definición y la Notación del Alcance Luminoso) 23 5.2. Ubicación de faro Punta Telégrafo Figura 11: Ubicación geográfica del faro Punta Telégrafo Fuente: Google Earth 5.3. Necesidades energéticas del faro Punta Telégrafo Potencia de los equipos: 100W-h Horas de uso: 14 horas Factor de seguridad: 25% 24 5.4. Cálculos 5.4.1. Cálculo de la energía necesaria diaria del faro Punta Telégrafo Mediante la siguiente ecuación evaluaremos la energía necesaria diaria para alimentar el banco de baterías luego de un consumo de 14 horas, tiempo en el cual se encuentra encendida el faro. 5.4.2. Cálculo de la energía necesaria anual del faro Punta Telégrafo Mediante el siguiente cálculo se obtendrá la energía requerida para el trabajo del faro durante 1 año. 5.4.3. Cálculo de la velocidad del viento a la altura de trabajo Este cálculo es importante para los estudios relacionados a la energía eólica debido a que consideran un factor relevante para el cálculo de la velocidad del viento a la altura deseada, como lo muestra la figura… la cual ilustra el perfil de velocidades . Orduz (2011) afirma: “El perfil de viento donde se toma la velocidad de viento, varia como función de la altura sobre el terreno. La forma de ese perfil dependerá principalmente de la rugosidad del terreno” (p.25) 25 Se utilizará un perfil logarítmico para determinar la velocidad de viento a 17 metros sobre el nivel del terreno, debido a que el aerogenerador se colocaría en la en la parte más alta del faro. De esta manera se estima si entregará los KW-h necesarios, de ser insuficiente la velocidad del viento o los KW-h entregados a esta altura, se procede a calcular la altura mínima que necesita para obtener la velocidad del viento necesaria. Donde: Entonces: La velocidad del viento de trabajo a la altura indicada es mayor a la velocidad mínima de arranque de todas las turbinas eólicas mostradas en la tabla 4 (Producción de energía aproximada anual en relación a la velocidad del viento y modelo). 26 5.5. Selección de la turbina ideal Para una altura de 17 metros de instalación (5.1 m/s), según la figura 6 se debe instalar una turbina modelo WS-2, debido a que se estima la entrega de 700KWH/año a 5 m/s. 5.6. Altura mínima de instalación del Aerogenerador Windside WS-2 Para obtener la altura mínima, es necesario calcular la Vmin en base a las ecuaciones de modelo (Figura 9.) 27 Figura 12: Ecuaciones de modelo Fuente: Empresa LGT SOLA 5.7. Selección del sub-modelo de la Aerogenerador Windside WS-2 Según representante de la empresa LGT SOLAR, existen tres modelos posibles (CITY, A y B) y para seleccionar dicho sub-modelo hay que en primera instancia revisar la velocidad que tendrá el viento a la altura de instalación mínima (2.885366 28 metros). Pero considerando que la altura de instalación del aerogenerador se dará a una altura de 17 metros, será conveniente trabajar con la velocidad de esta última. Con esta velocidad promedio anual, entrar en el eje de las abscisas en la gráfica característica de la turbina (Figura 10), existen 04 curvas, de 12v y 24v y a su vez del generador conectado en delta o estrella, cada uno de estos tiene su propia ventaja y desventaja. Luego, hay que seleccionar el que nos entregue la energía necesaria (las turbinas a 12V siempre arrancaran antes que las de 24V, pero y de estas las de conexión estrella siempre arrancan antes que las delta, aunque para velocidad altas, la pendiente de crecimiento sea más favorable para las delta. Para calcular la energía necesaria hay que multiplicar el valor de la corriente leída en el eje de las ordenadas por 13.5 (en caso de seleccionar 12V) o 26 (en caso de seleccionar 24V), y a su vez todo esto multiplicado por 8760 que es la cantidad de horas al año (en el supuesto que tengamos la velocidad promedio todo el año, lo cual aritméticamente es correcto). 5.7.1. Cálculo del sub-modelo de la Aerogenerador Windside WS-2 Comenzamos con la evaluación del modelo "City" y observamos que todas las curvas son casi nulas en 5 m/s, pasamos a la siguiente tabla ahora con la WS-2B. 29 Figura 13: Curvas de energía (0-30 m /s) Sub-modelo “City” Fuente: Recuperado de www.Windside.com Según la curva del WS-2B, la más favorable es a 12V y conexión del generador en estrella (Y), estimaremos que obtenemos 5A a 5 m/s de velocidad promedio anual a una altura de instalación de 17 metros. 30 Figura 14: Curvas de energía (0-30 m /s) Sub-modelo “A” Fuente: Recuperado de www.Windside.com Ahora calculamos la energía anual promedio: E(a, p) = 13.5*2.6*8760=591.3 KW-h/año El valor de diseño para este grupo de turbinas era de 638.75 KW h/año, sin embargo hay que recordar que está sobredimensionado por el 25% por razones de incertidumbre, el valor bruto de la carga a alimentar es de 511 KW-h/año, este valor es inferior al obtenido por la estimación de la energía generada con datos más precisos (curva experimental de la turbina) y se concluye que es correcto seleccionar la turbina WS-2B. 31 CONCLUSIONES El presente trabajo describe la importancia de los faros para la señalización náutica, y de acuerdo a lo estudiado se concluye que estos cumplen diversas funciones con el fin de mantener una navegación segura. Por otro lado también se puede concluir que es relevante la adquisición de información relacionada al Aerogenerador Windside, debido que permitió evaluar las condiciones para su instalación. Asimismo se puede llegar a la conclusión que las zonas más apropiadas son Paita, Isla lobos de afuera, Pacasmayo, Isla la vieja y Atico con condiciones meteorológicas de vientos idóneas para la instalación del Aerogenerador Windside. Se observa que existen pocas zonas idóneas para la instalación del Aerogenerador Windside, pero es posible generar sistemas híbridos (Eólico-Solar). Se determinaron los siguientes resultados para una hipotética instalación del Aerogenerador Windside en el faro Punta Telégrafo: Una turbina WS-2B, altura de instalación: 17 metros, velocidad a la altura de instalación: 5.1 m/s y energía promedio calculada: 591.3 KW-h/año. 32 LISTA DE ANEXOS Anexo A: Ubicación y características de faros Anexo B: Tarjeta de características del faro Punta Telégrafo Anexo C: Tarjeta de historial Anexo D: Ficha de características del Aerogenerador Windside 33 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Antezana Nuñez, J.C. (2004). Diseño y construcción de un Prototipo de Generador Eólico de eje vertical (Memoria para optar un título) Universidad de Chile, Santiago de Chile, Chile. Recuperada de http://www.centroenergia.cl/literatura/memorias_tesis/AEROGENERADORMEMORIA-FINAL.pdf. Dirección de Hidrografía y Navegación. (2014). Mantenimiento de las ayudas a la navegación marítima litoral norte. Callao. Escobar Mejia, A., Torres, C. T., & Hincapie Isaza, R. (2010). Conexión de un Sistema Fotovoltaico a la Red Eléctrica. Scientia et Technica , 31-36. Gallego Monge, B. (2013). Viabilidad de la implementación de un sistema de energías renovables para suministro eléctrico de un establecimiento de turismo rural (Proyecto) Universidad Pontificia Comillas, Madrid, España. Recuperada de http://www.iit.upcomillas.es/pfc/resumenes/51aded6a0fe6b.pdf Mediterráneo Señales Marítimas. (s.f.). Mediterráneo Señales Marítimas. Obtenido de www.mesemar.com Orduz Berdugo, O. I. (2011). Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical para la generación a baja potencia (Trabajo de grado para obtener título) Universidad Industrial Santander, Bucaramanga, Colombia. Recuperado de http://repositorio.uis.edu.co/jspui/bitstream/123456789/5962/2/137798.pdf 34 Tituaña De La Vega, M. F. (2015). Modelamiento de un micro aerogenerador en sistemas de generación distribuida para el sector residencial (Tesis previa a la obtención del título) Universidad Politécnica Salesiana, Quito, Ecuador. Velásquez Cárcamo, R. A. (2010). Estudio, diseño y construcción de un prototipo de generador eólico para el sector costero de la XIV región, en Corral (Tesis para optar título) Universidad Austral de Chile, Valdivia, Chile. Recuperado de http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2010/bmfciv434e/doc/bmfciv434e.pdf 35 ANEXO A UBICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE FAROS Figura 1: Sector geográfico norte del litoral 36 Fuente: Recuperado de www.dhn.mil.pe Tabla 1: Sector geográfico norte del litoral Fuente: Recuperado de www.dhn.mil.pe 37 Figura 2: Sector geográfico norte del litoral Fuente: Recuperado de www.dhn.mil.pe Tabla 2: Sector geográfico norte del litoral Fuente: Recuperado de www.dhn.mil.pe 38 Figura 3: Sector geográfico norte del litoral Fuente: Recuperado de www.dhn.mil.pe 39 Tabla 3: Sector geográfico norte del litoral Fuente: Recuperado de www.dhn.mil.pe 40 ANEXO B TARJETA DE CARACTERÍSTICAS DEL FARO PUNTA TELÉGRAFO 41 42 ANEXO C TARJETA DE HISTORIAL DEL FARO PUNTA TELÉGRAFO 43 44 ANEXO D FICHA DE CARACTERÍSTICAS DEL AEROGENERADOR WINDSIDE 45 46 47
