UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGÍA PROYECTO DE INVESTIGACIÓN “ANÁLISIS DE LAS DIFICULTADES TECNOLÓGICAS Y METEOROLÓGICAS QUE IMPIDEN LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA CENTRAL EOLICA PARA LA GENERACION ELÉCTRICA EN CHIMBOTE-PERU, 2021” PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO EN ENERGÍA AUTOR (ES): CHUQUILLANQUI GUIMARAY ARNOLD EDUARDO ASESOR: CHIMBOTE – PERU AGOSTO 2021 ABSTRACT The research work is in the area of renewable and non-renewable energy development, whose main objective is based on the determination and analysis of the technological and meteorological difficulties that have prevented the implementation of a wind power plant in our city of Chimbote. Due to the objective and the study variables, the research is descriptive with a non-experimental design, specifically a transectional or cross-sectional design of the comparative descriptive type, which has a population and a single sample that refers to the horizontal axis wind power plant in the city of Chimbote. The importance of the research lies in the fact that identifying these difficulties, the technological and meteorological difficulties, serve as a starting point to propose alternative solutions to these difficulties and subsequently achieve a large-scale development of this type of energy. The development of this type of energy would bring with it multiple benefits such as sources of work, the reduction of CO2 emissions in electricity generation and an increase in the supply of energy in the country. The techniques that are applied for the development of the investigation include observation, documentary analysis, data collection from secondary sources and bibliographic technique; while the instruments are the bibliographic files, summary files, observation files and records of data collected from secondary sources. The instruments indicated in the classification of the information, which will later be processed and analyzed in a spreadsheet that allows a statistical treatment of all the data and thus be able to appreciate the results of the investigation. i RESUMEN La presente investigación se encuentra en el área de Desarrollo energético renovable y no renovable, su objetivo principal se basa en la determinación y el análisis de las dificultades tecnológicas y meteorológicas que han impedido la implementación de una central eólica en nuestra ciudad de Chimbote. Debido al objetivo y las variables de estudio la investigación es descriptiva con un diseño no experimental, específicamente un diseño transeccional o transversal del tipo descriptivo comparativo, que cuenta con una población y muestra única que se refiere a la Central eólica de eje horizontal en la ciudad de Chimbote. La importancia de la investigación radica en que el identificar estas dificultades las dificultades tecnológicas y meteorológicas, sirven como punto de partida para plantear alternativas de solución a estas dificultades y posteriormente lograr un desarrollo a gran escala de este tipo de energía. El desarrollo de este tipo de energía traería consigo múltiples beneficios como fuentes de trabajo, la reducción de las emisiones de CO2 en la generación eléctrica y un incremento de la oferta de energía en el país. Las técnicas que se aplican para el desarrollo de la investigación abarcan la observación, análisis documental, recolección de datos de fuentes secundarias y la técnica bibliográfica; mientras que los instrumentos son las fichas bibliográficas, fichas de resumen, fichas de observación y registro de datos recolectados de fuentes secundarias. Los instrumentos mencionados contribuyen en la clasificación de la información, que posteriormente será procesada y analizada en una hoja de cálculo que permita un tratamiento estadístico de todos los datos y de esta forma poder apreciar los resultados de la investigación. ii UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN ENERGÍA CARTA DE CONFORMIDAD DEL ASESOR El presente Proyecto de Tesis para Titulo ha sido revisada y desarrollada en cumplimiento del objetivo propuesto y reúne las condiciones formales y metodológicas, estando encuadrado dentro de las áreas y líneas de investigación conforme al reglamento general para obtener el título profesional en la universidad nacional del santa (Resolución N° 4922017-CU-R-UNS) de acuerdo a la denominación siguiente: TESIS PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO EN ENERGÍA “ANÁLISIS DE LAS DIFICULTADES TECNOLÓGICAS Y METEOROLÓGICAS QUE IMPIDEN LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA CENTRAL EOLICA PARA LA GENERACION ELÉCTRICA EN CHIMBOTE-PERU, 2021” TESISTA: CHUQUILLANQUI GUIMARAY ARNOLD EDUARDO BACHILLER _________________________ ASESOR iii INDICE ABSTRACT ............................................................................................................. i RESUMEN .............................................................................................................. ii CONFORMIDAD .................................................................................................. iii I. GENERALIDADES: .............................................................................................. 1 1.1 Título.................................................................................................................. 1 1.2 Investigador ...................................................................................................... 1 1.3 Tipo de investigación ........................................................................................ 1 1.4 Lugar donde se ejecuta el proyecto................................................................. 1 1.5 Institución que ejecuta el proyecto ................................................................. 1 1.6 Duración ............................................................................................................ 1 1.7 Cronograma de trabajo ................................................................................... 1 1.8 Recursos (personal, equipos, material y servicios) ........................................ 2 1.9 Presupuesto analítico en base a clasificador de gastos vigente .................... 2 1.9.1. Bienes ......................................................................................................... 2 1.9.2. Servicios ..................................................................................................... 3 1.10 Financiamiento ................................................................................................. 3 II. PLAN DE INVESTIGACIÓN ............................................................................... 4 2.1. Planteamiento del Problema............................................................................ 4 2.1.1. Realidad del Problema ............................................................................. 4 2.1.2. Antecedentes.............................................................................................. 4 2.1.3. Formulación del Problema ...................................................................... 7 2.2. Importancia de la Investigación ...................................................................... 7 2.3. Objetivos de la Investigación ........................................................................... 8 2.3.1. Objetivo General....................................................................................... 8 2.3.2. Objetivos Específicos ................................................................................ 8 2.4. Marco referencial ............................................................................................. 8 2.4.1. Recursos eólicos ........................................................................................ 8 2.4.2. El viento ..................................................................................................... 8 2.4.3. Formación del viento ................................................................................ 8 2.4.4. Circulación de escala regional y local ..................................................... 9 2.4.5. Instrumento de medición del viento ...................................................... 10 2.4.6. Transformación de la energía eólica ..................................................... 11 2.4.7. Potencial eólico Nacional y local............................................................ 11 2.4.8. Aerogeneradores de eje horizontal ....................................................... 12 2.4.9. Ley exponencial de Hellmann ................................................................ 13 2.4.10. Distribución de Weibull .......................................................................... 14 2.4.11. Energía útil del viento ............................................................................. 16 2.5. Formulación de la Hipótesis .......................................................................... 17 2.5.1. 2.6. Hipótesis de la Investigación .................................................................. 17 Propuesta experimental ................................................................................. 17 2.6.1. Variables .................................................................................................. 17 2.6.2. Dimensiones e Indicadores ..................................................................... 17 2.6.3. Limitación de la Investigación ............................................................... 17 2.7. Metodología de la investigación .................................................................... 18 2.7.1. Métodos de la Investigación ................................................................... 18 2.7.2. Procedimiento de la Investigación......................................................... 18 2.7.3. Diseño de la investigación ...................................................................... 18 2.7.4. Población y muestra ............................................................................... 19 2.7.5. Técnicas, Instrumentos ......................................................................... 19 2.7.6. Procedimiento o forma de tratamiento de la información .................. 19 2.7.7. Técnicas de procedimiento y Análisis de los Resultados ..................... 19 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 20 ANEXOS: ...................................................................................................................... 21 I. GENERALIDADES: 1.1 Título: Análisis de las dificultades tecnológicas y meteorológicas que impiden la implementación de una central eólica para la generación eléctrica en Chimbote Perú, 2021. 1.2 Investigador: Chuquillanqui Guimaray Arnold Eduardo 1.3 Tipo de investigación: Área: Desarrollo energético renovable y no renovable Línea: Potencial energético Según Aplicabilidad o Propósito: Básica o teórica. Según su Naturaleza o Profundidad: Descriptiva con enfoque mixto. 1.4 Lugar donde se ejecuta el proyecto: Chimbote 1.5 Institución que ejecuta el proyecto: Universidad Nacional del Santa, Nuevo Chimbote - Perú 1.6 Duración: Inicia: Septiembre 2021 Termina: Abril 2022 1.7 Cronograma de trabajo: Tabla 01: Diagrama de Gantt del proyecto GANTT DEL PROYECTO ACTIVIDADES 1. Aprobación del proyecto 2. Revisión Bibliográfica 3. Recolección de información 4. Evaluación de la información 5. Procesamiento de Información 6. Análisis e interpretación de Resultados 7. Elaboración del Informe Final AÑO S X X 2021 O N D E X X X 2022 F M A X X X X X X 1|Página 1.8 Recursos (personal, equipos, material y servicios): 1.8.1 Humanos: 01 Investigador: Chuquillanqui Guimaray Arnold Eduardo 1.8.2 01 Asesor: Físicos: Útiles de escritorio (lapiceros, hojas bond, etc.) Cámara fotográfica. 1 laptop. 1 impresora. 1 calculadora científica. Bibliografía 1.8.3 Económicos: Recursos económicos propios. 1.9 Presupuesto analítico en base a clasificador de gastos vigente: 1.9.1. Bienes: Tabla 02: Presupuesto analítico de bienes Genérica Partida Específica Objeto del Gasto 2.0 S/ S/. 540.00 2.3.1 5.1.2 Adquisición de papelería en general, útiles y materiales de oficina S/. 225.00 2.3.1 6.1 Adquisición de repuestos y accesorios considerados como instrumental complementario a reparaciones menores de máquinas y equipos de oficina S/. 255.00 Libros, textos y otros materiales impresos S/. 60.00 2.3.1 9.1.1 2|Página 1.9.2. Servicios: Tabla 03: Presupuesto analítico de servicios Genérica Partida Específica Objeto del Gasto S/ S/. 700.00 2.0 2.3.2 2.1 1 Servicio de suministro de energía eléctrica S/. 350.00 2.3.2 2.2.3 Gastos por concepto de conexión a la red (Internet) Gastos por servicios de movilidad. S/. 240.00 2.1.21.21 S/. 110.00 1.10 Financiamiento: Financiamiento propio 3|Página II. PLAN DE INVESTIGACIÓN: 2.1. Planteamiento del Problema 2.1.1. Realidad del Problema La zona costera del Perú, cuenta con un gran potencial para la generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento del recurso eólico, Chimbote no se encuentra exenta de esta realidad, en el estudio “Generación eléctrica a partir de fuentes nuevas: Energía eólica” realizado por el MINEM en el año 2001 se afirma que nuestra ciudad tiene la capacidad para producir 1157 kWh/año aprovechando el viento. Si bien es cierto que algunas zonas rurales cerca de Chimbote y algunas viviendas de estas zonas generan su electricidad en base a esta tecnología, la misma no ha podido desarrollarse a gran escala, es decir no se ha podido realizar la implementación de un parque eólico dentro de la ciudad. Los beneficios que aporta la implementación de esta tecnología son muy conocidos, pues se trata del aprovechamiento de un tipo de energía que no solo es renovable, sino que a la vez, es una fuente no contaminante, todo lo contrario a las diversas plantas termoeléctricas que basan su generación de energía en el uso de diésel, carbón o gas natural. A pesar de los grandes beneficios que tiene el aprovechamiento de esta fuente, aún no se ha logrado un desarrollo a gran escala, ni en Chimbote ni en nuestra región, la investigación se basa en el análisis de las fuentes tecnológicas y meteorológicas que han impedido que esta tecnología pueda implementarse en nuestra ciudad, es decir, las causas por las que a pesar de tener un buen potencial para la generación eléctrica no ha habido un gran avance en ese aspecto. De esta manera se pueden plantear alternativas de solución a estas dificultades con la finalidad de que posteriormente este tipo de energía pueda ser aprovechado en nuestra ciudad. 2.1.2. Antecedentes: Hernández, Espinoza y Saldaña (2011), en su trabajo de investigación “Evaluación del potencial eólico para la generación de energía eléctrica en el Estado de Veracruz”, realizó la evaluación del recurso eólico para ser aprovechado en la generación de energía eléctrica en el estado de Veracruz, para ello realizó mediciones en 16 estaciones anemométricas dentro del estado, obteniendo que la 4|Página velocidad promedio del viento es de 5.45 m/s, valor que se ajusta para producir energía eléctrica de 14.432 kW. Posteriormente para evaluar el potencial que puede entregar un dispositivo comercial se utilizó un aerogenerador de la marca ACCIONA modelo AW 70/1500, que tenía una capacidad de 1500 kW, el estudio arrojó que instalando un aerogenerador a cada zona se puede suministrar a la red 10694 MWh/año. Los autores concluyeron que el Estado de Veracruz cuenta con el potencial eólico necesario para la generación de energía eléctrica mediante una central eólica, además su posible implementación ahorraría cerca de 9933 toneladas equivalentes de petróleo y una reducción de emisiones de gases de efecto invernadero equivalentes a 28806 toneladas de CO2. Castro y Cruz (2015), en su tesis titulada “Evaluación de la viabilidad del aprovechamiento del potencial eólico para la generación de energía eléctrica en el distrito de Quiruvilca, Santiago de Chuco, La Libertad”, evaluó la implementación de una central eólica en la localidad, para ello analizó el registro de datos diarios de la Estación Meteorológica Quiruvilca, obteniendo como resultado una velocidad promedio entre 4.17 y 5.47 m/s a 10 metros de altura. Se simuló la generación de energía eléctrica con aerogeneradores comerciales de los que se obtuvieron resultados de generación entre 353.5 a 7740.76 MWh/año. Por último se estimó el análisis económico determinando que el precio de producción de energía fluctúa entre 0.03-0.14 $kW y un tiempo de retorno de inversión de 8.5 años. El aerogenerador que ofrece un menor costo de producción es Vestas de 2000 kW. Se concluyó que es viable la construcción de una central eólica en esta localidad, y además genera la suficiente energía eléctrica para abastecer la demanda energética del lugar. García (2016) , en su tesis titulada “Diseño de un sistema de aerogeneradores para abastecer de energía eléctrica al campus de la USP- Nuevo Chimbote”, realizó el diseño de un grupo de aerogeneradores para abastecer de energía el campus de la Universidad Privada San Pedro, para ello realizó inicialmente se calculó la demanda eléctrica necesaria para abastecer el campus de la universidad, posteriormente se realizaron mediciones sobre la velocidad del viento entre los meses de Enero a Agosto, obteniendo como resultado una velocidad nominal promedio de 5 m/s y una dirección de viento SUR - SUROESTE. A partir del 5|Página potencial eólico se estimó la proyección de una micro central eólica de 50 kW, se diseñaron los aerogeneradores con una potencia nominal de 2.5 kW cada uno, un diámetro del rotor de 11.5 metros, una torre de 30 metros de altura. Las características de los componentes eléctricos y de control de la micro central eólica fueron: la conexión en cuatro grupos de 5 aerogeneradores cada grupo. Una casa de fuerza con un total de 58 baterías para los 20 aerogeneradores y un regulador de carga para cada grupo de aerogeneradores. Posteriormente se seleccionaron los componentes de la central de acuerdo a marcas comerciales, concluyendo que es factible la construcción de esta micro central eólica dentro del campus de la Universidad Privada San Pedro de Nuevo Chimbote. Rojas (2012), en su tesis de maestría titulada “Evaluación del recurso eólico de la UNS para proyección de un bosque eólico de autogeneración”, evaluó el recurso eólico para una futura instalación del parque eólico dentro del campus, para ello inicialmente realizó mediciones del viento a una altura de 10 metros sobre el nivel del terreno, durante tres meses Febrero, Abril y Junio tomados en el campus de la UNS con intervalos de 10 minutos, estas mediciones fueron realizadas en el año 2010. Los datos obtenidos arrojaron una velocidad promedio de 5 m/s. Después de haber recolectado los datos se construyeron las curvas de velocidad de viento y se realizaron los cálculos del sistema aerogenerador. Posteriormente se realizó el análisis económico obteniendo un VAN de $ 809674, un TIR de 73% y un periodo de recuperación de 06 años. En base a los resultados hallados se puede concluir que se presentan condiciones favorables para la instalación de un parque eólico de autogeneración en la Universidad Nacional del Santa. Arenas y Cedrón (2016), en su tesis titulada “Diseño de una Micro central Eólica de 50 kW para el sistema de iluminación del Campus II de la Universidad Nacional del Santa, Nuevo Chimbote”, se realizó la evaluación del recurso eólico dentro del campus II, en primera instancia se realizaron mediciones del viento durante 1 año y a una altura de 15 metros desde el nivel del suelo, cabe resaltar que se tomaron mediciones cada 10 minutos obteniendo un total de 52560 datos. Luego se realizó una extrapolación para obtener los datos a una altura de 30 metros, se obtuvo como resultado una velocidad promedio de 5m/s y una dirección SUR y SUR-SUROESTE. Se realizó el diseño de la micro central determinando 6|Página 20 aerogeneradores de 2.5 kW cada uno, un diámetro de rotor de 11.5 metros y una torre de 30 metros de altura. Se concluye que la micro central eólica tiene una potencia de 50 kW y la energía que la central produce al año es de 396813.21 kWh/año y con esto se puede alimentar 520 lámparas exteriores de corriente continua de 70 W. 2.1.3. Formulación del Problema ¿Qué dificultades tecnológicas y meteorológicas impiden la implementación de una central eólica para la generación de energía eléctrica en Chimbote, Perú? 2.2. Importancia de la Investigación El Perú cuenta con un gran potencial para el desarrollo de energías renovables como la hidráulica, solar, geotérmica y eólica, las cuales no solo nos dan una opción de una fuente de energía más limpia, sino que también contribuyen a un desarrollo sostenible. En nuestro país una de las fuentes renovables que ha tenido un desarrollo considerable es la energía hidráulica; sin embargo, la mayor parte de la potencia generada e inyectada a COES es producida por las centrales termoeléctricas, es decir, Perú aún basa su generación eléctrica en el uso de combustibles como el diésel, biodiesel, gas natural y carbón lo que provoca una gran emisión de gases contaminantes, principalmente CO2. Otra fuente de energía que cuenta con un gran potencial a desarrollar es la energía eólica, diversos estudios señalan que Chimbote es una de las ciudades de la costa, que cuentan con el recurso eólico necesario para desarrollar esta tecnología. A pesar de esto surgen muchas dificultades para su implementación. La importancia del presente trabajo de investigación se basa en que el identificar las dificultades tecnológicas y meteorológicas, sirven como un punto de partida para establecer alternativas de solución a las dificultades encontradas y de esta forma posteriormente se pueda lograr un desarrollo futuro de esta tecnología en nuestra ciudad. Cabe resaltar que la implementación de una central eólica en la Chimbote traería múltiples beneficios como la generación de puestos de trabajo, la posibilidad de generar energía eléctrica evitando la emisión de gases contaminantes y el aumento de la oferta de energía del país. 7|Página 2.3. Objetivos de la Investigación: 2.3.1. Objetivo General Identificar las dificultades tecnológicas y meteorológicas que impiden la implementación de una central eólica para la generación eléctrica en ChimbotePerú, 2021 2.3.2. Objetivos Específicos Realizar un diagnóstico de la situación actual de la utilización de la energía eólica en Chimbote. Establecer y analizar las dificultades que impiden la implementación de una central eólica en Chimbote. Plantear alternativas de solución a las dificultades identificadas. 2.4. Marco referencial: 2.4.1. Recursos eólicos: Los recursos eólicos como su mismo nombre lo dice es el recurso que se obtiene por el efecto de las corrientes aire, es decir, hace referencia al viento, el cual al ser una fuente renovable y no contaminante se convierte en una gran alternativa para el aprovechamiento en la generación de energía eléctrica. 2.4.2. El viento: El viento es un vector que tiene dos dimensiones, por consiguiente puede describirse en cada instante de tiempo en dos coordenadas. Este vector al ser proyectado en el sistema cartesiano “x” e “y” permite una previsión numérica del tiempo. MINEM (2008) afirma que “La manera natural de describir el viento es mediante sus coordenadas polares, el módulo (velocidad) y la dirección. Incluso los instrumentos de medida del viendo evalúan cada una de estas dos magnitudes por separado” (p, 9). 2.4.3. Formación del viento: Para la formación del viento intervienen dos factores, las masas de aire y la presión atmosférica. El viento tiene su origen en la rotación del planeta junto con la diferencia de temperaturas entre el mar y la tierra. 8|Página COPE (2020) define el viento como un movimiento de aire de un área a otra con diferentes presiones. El aire caliente es más liviano que el frío, y por ende sube creando un vacío. Debido al principio fundamental del “equilibrio” este vacío se llena creando un movimiento denominado circulación convectiva, de abajo hacia arriba y viceversa. Debido a que la tierra gira, el desplazamiento vertical de la circulación convectiva, también se desarrolla en el plano horizontal, creando el viento. Figura 01: Formación de viento debido a diferencia de presiones Fuente: Mágica Naturaleza (s/a). Formación del viento debido a la diferencia de presiones y temperaturas. Extraída 11 de Julio del 2021 desde: https://magicanaturaleza.com/ 2.4.4. Circulación de escala regional y local: La circulación es importante para el entendimiento de este fenómeno atmosférico. Se encuentra lo que se conoce como circulación oceánica y atmosférica, ambas interaccionan para distribuir el calor equitativamente a los largo de la superficie terrestre. Debido a la latitud surgen diferentes tipos de vientos y circulaciones. Tenemos la circulación local que se basa en la absorción de calor por parte de la tierra y el agua para luego liberarlo. Por otro lado la circulación mundial que se genera en la zona más caliente: el Ecuador. 9|Página Por otro lado MINEM (2008) considera que existen circulaciones secundarias o vientos regionales entre las que destacan los huracanes, monzones y ciclones tropicales. También considera circulaciones terciarias o vientos locales como las brisas, vientos de valle y montaña, flujo de pasos de montaña, etc. 2.4.5. Instrumento de medición del viento: Para aplicaciones eólicas el instrumento encargado de la medición directa de la velocidad del viento es el anemómetro, específicamente hoy en día es muy común el uso del anemómetro de cazoletas. El tipo de anemómetro más usado es el de tres cazoletas montadas sobre un eje. Su funcionamiento se basa en la rotación que se genera de manera proporcional a la velocidad del viento. Este ritmo de rotación es medido mediante variaciones de voltaje, esto a su vez representa el desplazamiento creado por el flujo del viento, es decir, la distancia, dividendo esta distancia sobre la unidad de tiempo se puede obtener la velocidad del viento. (MINEM, 2008). Figura 02: Anemómetro de 3 cazoletas Fuente: MINEM (2008). Atlas eólico del Perú. Recuperado de https://www.osinergmin.gob.pe/seccion/centro_documental/Institucional/Estudi os_Economicos/Otros-Estudios/Atlas-Eolico/AtlasEolicoLibro.pdf Para la determinar la dirección del viento se emplea una veleta, que consta de una cola ancha que el viento mantiene a sotavento de un eje de rotación vertical y de un contrapeso que se mantiene a barlovento y que proporciona el equilibrio necesario para que el instrumento gire lo más libre posible. 10 | P á g i n a Figura 03: Veleta Fuente: MINEM (2008). Atlas eólico del Perú. Recuperado de https://www.osinergmin.gob.pe/seccion/centro_documental/Institucional/Est udios_Economicos/Otros-Estudios/Atlas-Eolico/AtlasEolicoLibro.pdf 2.4.6. Transformación de la energía eólica: La transformación de la energía eólica en energía eléctrica se debe gracias al aerogenerador, en estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un alternador que produce la energía eléctrica. La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, el área de barrido del rotor y de la velocidad del viento. Si el suministro eléctrico va a ser puntual (vivienda aislada, granjas), se utilizan equipos e baja potencia. Cuando la electricidad generada se va a inyectar a la red de distribución se utilizan varios aerogeneradores de potencias inferiores a 1 MW. (EPEC, 2013) Estos grupos de máquinas son denominados parques eólicos y pueden situarse en tierra o en el mar. 2.4.7. Potencial eólico Nacional y local: La costa peruana cuenta con un importante potencial eólico, en algunos lugares como Puerto Malabrigo, San Juan de Marcona y Paracas se alcanzan velocidades promedio de 8 m/s. Se reconoce que en la mayor parte de la costa se cuenta con velocidades promedio anuales de 6 m/s, estos valores son suficientes para garantizar la rentabilidad de proyectos eólicos. Chimbote se encuentra dentro de estas ciudades con potencial para el desarrollo de la energía eólica, si se lograra el desarrollo de la misma para su interconexión al SEIN se vería incrementada la oferta de energía para los grandes centros de consumo, lo que a su vez permitiría contar con energía a precios competitivos, 11 | P á g i n a contribuir a la disminución de la independencia de la importación de hidrocarburos y contar con una electricidad generada con una fuente limpia de energía. Tabla 04: Velocidad media y energía eólica estimada en ciudades del Perú No. Nombre 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Iquitos Tumbes Talara Piura Chiclayo Cajamarca Chimbote Trujillo Anta Curahuasi Marcona Laguna Grande Punta Ático Punta de Coles Desaguadero Departamento Loreto Tumes Piura Piura Lambayeque Cajamarca Ancash La Libertad Ancash Apurímac Ica Ica Arequipa Moquegua Puno Altitud Velocidad (m.s.n.m) media (m/s) 104 25 50 46 27 2620 11 33 2748 2678 31 10 20 50 3809 1 2.6 8.5 4 5.1 1.9 5.5 5 3.8 4.4 6.4 6.5 6.7 5 4.5 En. producible (kWh/m2.año) 31 252 4993 642 1281 1157 1157 1243 638 1052 2329 2465 2701 1223 935 Nota: En la Tabla 04 se muestra la ubicación de las estaciones de medición con las velocidades medias medidas y posteriormente la energía producible al año. Fuente: Adaptado de MINEM (2001). 2.4.8. Aerogeneradores de eje horizontal: Reciben este nombre ya que poseen los ejes principales situados paralelamente al suelo. Necesita un control de orientación al viento. Los elementos de conexión, multiplicador y generador se encuentran a la altura del rotor en la góndola situado en lo alto de la torre. La disposición de las palas puede presentar dos posiciones con respecto al viento. (Arenas y Cedrón, 2016) A barlovento: Es el tipo más empleado, el viento entra de frente a las palas del rotor del aerogenerador y el sistema de orientación se sitúa en la parte posterior. 12 | P á g i n a A sotavento: El viento entra primero al sistema de rotación y lueho a las palas del rotor que se situan en la parte posterior. En este tipo de aerogeneradores el plano de rotación debe conservarse perpendicular a la dirección del viento para poder captar la máxima energía. Su principal ventaja es que al estar a una altura de entre 40 y 60 metros del suelo, aprovecha mejor las corrientes de aire con una eficacia muy alta en la conversión (EPEC, 2013) Figura 04: Aerogenerador de eje horizontal Fuente: Esteller, R. (2017). Iberdrola arranca el parque eólico para Amazon tras recibir el apoyo del Pentágono. El economista. Recuperado de https://www.eleconomista.es/ Los aerogeneradores de eje horizontal soportan dos cargas en el rotor: Fuerza centrífuga: Carga estática perpendicular al eje de giro, por tal motivo las palas tienen un ángulo de inclinación, para permitir que esa fuerza aporte un componente de tracción en toda la longitud de las palas y de flexión de sentido contrario al de las cargas aerodinámicas. Fuerzas dinámicas: Surgen como consecuencia del giro de las palas, la variación del viento con la altur. Esta carga genera vibración lo cual debe ser tomado e cuenta durante la fase de construcción e instalación. 2.4.9. Ley exponencial de Hellmann: La ley exponencial de Hellmann indica que la velocidad del viendo varía de acuerdo a la altura, quedando expresada de la siguiente manera 𝐡 𝛂 𝐯𝐡 = 𝐯𝟏𝟎 ∗ ( ) … . . (𝟏) 𝟏𝟎 13 | P á g i n a Donde: vh= velocidad del viento h= altura v10= velocidad del viento a 10 metros de altura ∝= Exponente de Hellmann que varía con la rugosidad del terreno Los valores del exponente de Hellmann se indican en la siguiente tabla evaluando distintas zonas y rugosidades del terreno: Tabla 05: Valores del exponente de Hellmann en función de la rugosidad del terreno Lugares llanos con hielo o hierba Lugares llanos (mar, costa) Terrenos poco accidentados Zonas rusticas Terrenos accidentados o bosques 𝜶= 0.08-0.12 𝛼= 0.14 𝛼= 0.13-0.16 𝛼= 0.2 𝛼= 0.2-0.26 Terrenos muy accidentados y ciudades 𝛼= 0.25-0.40 Nota: En la tabla se muestran los valores de Hellmann para distintas rugosidades del terreno de la zona evaluada Fuente: Rojas, A. (2012). 2.4.10. Distribución de Weibull: Según (Arenas & Cedrón, 2016), la distribución de Weibull es una función utilizada para predecir la variación del viento en un lugar específico. Describe el comportamiento de la velocidad del viento y permite estimar la producción de energía para un lugar específico. Figura 05: Distribución de Weibull Fuente: Arenas, S. y Cedrón, R. (2016). Diseño de una Microcentral Eólica de 50 kW para el sistema de iluminación del Campus II de la Universidad Nacional del Santa (tesis de pregrado). Universidad Nacional del Santa, Nuevo Chimbote, Perú. 14 | P á g i n a La función de Weibull queda definida en función a cuatro variables. 𝐟(𝐱) = (𝐱, 𝐤, 𝛌, 𝛉) … . . (𝟐) El parámetro “x”: representa el valor del viento a ser evaluado en m/s. La variable “k”: es el parámetro de forma, “k” asume valores mayores a cero. (Rojas, 2012), detalla que “cuando k= 2, la ley de Weibull coincide con la de Rayleigh, esto puede darse en casos de baja turbulencia y pequeña variabilidad del viento” En la Figura 06, se observa un conjunto de gráficas de Weibull para distintos valores de “k”, en donde podemos observar la influencia de este parámetro en la forma de la curva. Figura 06: Distribución de Weibull para diferentes valores de k Fuente: Lawrence Leemis (2016) Weibull Distribution. Extraída el 11 de Agosto del 2021 desde: https://www.youtube.com/watch?v=Ygi_7yai5WQ La variable “𝛌” : representa el factor de escala, y abarca las dos primeras variables mencionadas, queda definida por la siguiente ecuación 𝛌= 𝐕𝐩𝐫𝐨𝐦 … . . (𝟑) 𝟏 𝚪(𝟏 + ) 𝐤 La variable“𝛉”: permite determinar la función de Weibull, utilizando la Función de Densidad de Probabilidad (PDF) o la Función de Distribución acumulativa (CDF). 𝐱 𝐤 𝐂𝐃𝐅: 𝐅(𝐗) = 𝟏 − 𝐞−(𝛌) … . . (𝟒) 𝐤 𝐱 𝐤−𝟏 −(𝐱/𝛌)𝐤 𝐏𝐃𝐅: 𝐟(𝐗) = ( ) . ( ) .𝐞 … . . (𝟓) 𝛌 𝛌 15 | P á g i n a Según (Arenas & Cedrón, 2016), afirma que “una vez k y λ son calculados el análisis de Weibull puede ser realizado; al conocer la densidad de probabilidad de las velocidades del viento entonces la producción de energía puede ser calculada” 2.4.11. Energía útil del viento: En una corriente de aire de densidad (ρ) y velocidad 𝑣⃗ , como se indica en la Figura 06, la potencia eólica disponible atraviesa una superficie A y hace un recorrido L en el tiempo “t”, lo mencionado queda demostrado en la siguiente formulación. 𝐄𝐜𝐢𝐧𝐞𝐭𝐢𝐜𝐚 𝐏𝐯𝐢𝐞𝐧𝐭𝐨 = = 𝐭 𝐦𝐯𝟐 𝟐 𝟐 = 𝐯 (𝐯. 𝐀. 𝛒. 𝐭) = 𝛒𝐀 ∗ 𝐯 𝟑 … . . (𝟔) 𝐭 𝟐𝐭 𝟐 Otra formulación muy utilizada reemplazando la fórmula del área en la ecuación (6), de esta forma tenemos: 𝐏𝐯𝐢𝐞𝐧𝐭𝐨 = 𝛑𝛒𝑫𝟐𝒗𝟑 … . . (𝟕) 𝟖 (García, 2016) , afirma que la “velocidad del viento varía con el tiempo, por lo tanto la potencia también variará, se puede considerar un valor medio de ambas, tomando como periodo de tiempo un año” 𝐏𝐯𝐢𝐞𝐧𝐭𝐨 = 𝛒𝐀𝐯̂ 𝟑 𝐚𝐧𝐮𝐚𝐥 … . . (𝟖) 𝟐 Figura 07: Área barrida por el rotor del aerogenerador García, M. (2016). Diseño de un sistema de aereogeneradores para abastecer de energía eléctrica al campus de la USP-Nuevo Chimbote.(tesis de pregrado). Universidad San Pedro, Chimbote, Perú. 16 | P á g i n a 2.5. Formulación de la Hipótesis 2.5.1. Hipótesis de la Investigación Las principales dificultades tecnológicas que impiden la implementación de una central eólica en Chimbote se encuentran relacionadas con los altos costos económicos de los componentes principalmente del aerogenerador y las baterías, otro punto a tener en cuenta es la disponibilidad de los componentes y la dificultad en su ensamblaje. Mientras que en las dificultades meteorológicas surgen dificultades como la irregularidad de la velocidad del viento en los meses del año y la alta frecuencia de precipitaciones en la zona. 2.6. Propuesta experimental 2.6.1. Variables Dificultades meteorológicas que impiden la implementación de la central eólica Dificultades tecnológicas que impiden la implementación de la central eólica. 2.6.2. Dimensiones e Indicadores La primera variable que corresponde a las dificultades meteorológicas hace referencia a las barreras tecnológicas que imposibilitan la construcción de una central eólica en Chimbote. Las dimensiones consideradas fueron: Aerogenerador horizontal donde se evaluarán los costos de implementación y disponibilidad en el mercado. Baterías donde se evaluará el costo de implementación y disponibilidad en el mercado. Líneas de transmisión done se evaluará el indicador de integración a la red. La segunda variable corresponde a las dificultades meteorológicas donde se ´consideraron las siguientes dimensiones: Viento, se evaluará la velocidad del viento y grado de frecuencias. Precipitaciones, se evaluará el grado de precipitación. Rayos o relámpagos, se evaluará la frecuencia de ratos en la zona. Temperatura, se evaluará los rangos de temperatura presentes en la zona. 2.6.3. Limitación de la Investigación La investigación se basa en el análisis de las dificultades tanto meteorológicas como tecnológicas para implementar una Central eólica en Chimbote. Durante la 17 | P á g i n a investigación se puede referenciar otro tipo de dificultades como las políticas, el impacto ambiental, y social que puede ocasionar la implementación de la Central eólica, en ese caso el estudio se limitará solo a nombrarlas, más no a profundizarlas o establecer un análisis detallado de cada una de ellas, pues no corresponde al objetivo del estudio. 2.7. Metodología de la investigación: 2.7.1. Métodos de la Investigación La investigación no solo abarca un método, sino un conjunto de métodos que nos encaminarán a la solución del problema, entre los métodos que se utilizarán destacan el método descriptivo, método analítico, deductivo, inductivo y comparativo. 2.7.2. Procedimiento de la Investigación: Para la solución del problema planteado y la contrastación de la hipótesis; inicialmente se revisará material bibliográfico sobre las características y frecuencia de los fenómenos meteorológicos en la zona, pero principalmente nos enfocaremos en las características del viento pues es el recurso principal para la generación de energía eléctrica mediante centrales eólicas. Posteriormente se buscará datos de fuentes estatales como el SENAMHI o mediciones realizadas por otros autores, con el fin de determinar si este recurso es óptimo para el aprovechamiento. Al mismo tiempo se realizará una investigación descriptiva sobre los componentes de la central eólica verificando parámetros como su costo, disponibilidad en el mercado, dificultad en la implementación e instalación. Finalmente se plantearán algunas alternativas de solución a estas dificultades con el fin de que en un futuro esta tecnología pueda ser implementada en Chimbote. 2.7.3. Diseño de la investigación: La investigación tiene un diseño no experimental, específicamente es una investigación del transeccional o transversal descriptiva, en donde se establecen comparaciones entre los datos recopilados de varias muestras. M: Parque Eólico de generador horizontal en Chimbote O: Observación de los indicadores cualitativos y cuantitativos 18 | P á g i n a 2.7.4. Población y muestra: Se cuenta con una población y muestra única, que se refiere a la central eólica de eje horizontal en Chimbote. 2.7.5. Técnicas, Instrumentos e informantes o fuentes para obtener datos: Una de las técnicas que se usará es la observación principalmente de los fenómenos en la zona de estudio, del mismo se hará uso de la técnica de recolección de datos para obtener valores de velocidades del viento, temperaturas, grado de precipitación de diferentes fuentes secundarias. Otra de las técnicas a utilizar es la obtención de información de diferentes fuentes bibliográficas. Para un mejor entendimiento y detalle de las técnicas e instrumentos a utilizar se adjuntan la siguiente tabla. Tabla 06: Tabla de Técnicas e instrumentos TÉCNICAS INSTRUMENTOS Observación Fichas de observación Análisis documental Análisis de contenido Recolección de datos Cuadros de registro de datos de fuentes secundarias Fichas, libros, investigaciones Revisión Bibliográfica 2.7.6. Procedimiento o forma de tratamiento de la información: La información recolectada en las mediciones será procesada en el Software Excel, esta herramienta no solo nos permitirá la clasificación y organización de la información obtenida, sino que también permitirá la obtención de gráficos estadísticos, tablas de frecuencia, diagramas e inclusive facilitará el cálculo en caso se realicen procedimientos matemáticos o similares. 2.7.7. Técnicas de procedimiento y Análisis de los Resultados: Los resultados obtenidos serán presentados en gráficos ilustrativos, diagramas estadísticos, tablas de frecuencia con el fin de poder ser analizados de una mejor manera, para ello usaremos el software Microsoft Excel. 19 | P á g i n a REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Arenas, S. y Cedrón, R. (2016). Diseño de una Microcentral Eólica de 50 kW para el sistema de iluminación del Campus II de la Universidad Nacional del Santa (tesis de pregrado). Universidad Nacional del Santa, Nuevo Chimbote, Perú. Castro, C. y Cruz, F. (2015). Evaluación de la viabilidad del aprovechamiento del potencial eólico para la generación de energía eléctrica en el distrito de Quiruvilca, Santiago de Chuco, La Libertad (tesis de pregrado). Universidad Nacional de Trujillo, Trujillo, Perú. García, M. (2016). Diseño de un sistema de aereogeneradores para abastecer de energía eléctrica al campus de la USP-Nuevo Chimbote.(tesis de pregrado). Universidad San Pedro, Chimbote, Perú. Rojas, A. (2012). Evaluación del recurso eólico de la UNS para proyección de un bosque eólico de autogeneración (tesis de maestria). Universidad Nacional del Santa, Nuevo Chimbote, Perú. Esteller, R. (2017). Iberdrola arranca el parque eólico para Amazon tras recibir el apoyo del Pentágono. El economista. Recuperado de https://www.eleconomista.es/ MINEM (2008). Atlas eólico del Perú. Recuperado de https://www.osinergmin.gob.pe/seccion/centro_documental/Institucional/Estudio s_Economicos/Otros-Estudios/Atlas-Eolico/AtlasEolicoLibro.pdf Mágica Naturaleza (s/a). Formación del viento debido a la diferencia de presiones y temperaturas. Extraída 11 de Julio del 2021 desde: https://magicanaturaleza.com/ EPEC (s/a). La energía eólica. Recuperado de https://web.epec.com.ar/ MINEM (2001). Generación eléctrica a partir de fuentes nuevas: Energía eólica. Recuperado de http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/file/institucional/ publicaciones/atlas/electricidad/energia_eolica.pdf Hernández, Q., Espinosa, F., Saldaña, R., y Rivera, C. (2011). Evaluación del Potencial eólico para la generación de energía eléctrica en el estado de Veracruz, México. Scielo, 215-216. 20 | P á g i n a ANEXOS: A. INSTRUMENTOS: Anexo 01: Ficha de referencia bibliográfica FICHA DE REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA Autor: Nombre de la material bibliográfico: Edición: Editorial: Ciudad de publicación: Año de publicación Tipo de bibliografía: Anexo 02: Ficha de resumen FICHA DE RESUMEN Tipo de bibliografía: Fuente bibliográfica: Ideas principales a considerar: Anexo 03: Registro de datos de velocidad de fuentes secundarias REGISTRO DE DATOS DE VELOCIDAD DATOS GENERALES Nombre de la persona que realizó la medición: Número de registro: Lugar de medición: Fuente: Fecha de medición: Equipo que utilizó para realizar la medición: n° de medición REGISTRO DE DATOS Hora de la Altura de registro (m) medición Velocidad (m/s) 1 2 3 21 | P á g i n a Anexo 04: Ficha de observaciones FICHA DE OBSERVACIONES DATOS GENERALES Nombre de la persona encargada: Fecha: Lugar: Hora de inicio: Propósito REGISTRO Acciones Evidencia Observación 22 | P á g i n a B. CUADRO DE OPERACIONALIZACIÓN Anexo 05: Cuadro de Operacionalización VARIABLE DIFICULTADES TECNOLÓGICAS DIFICULTADES METEREOLOGICAS DEFINICIÓN CONCEPTUAL Las dificultades son inconvenientes o barreras que impiden ejecutar un propósito. Desde esta perspectiva hace referencia a las barreras tecnológicas que imposibilitan la construcción de la central eólica. Las dificultades meteorológicas hacen referencia a las barreras o problemas relacionados con fenómenos atmosféricos que impiden la construcción de la central eólica. DEFINICIÓN OPERACIONAL Para los propósitos de esta investigación abordaremos dificultades tecnológicas y meteorológicas. Siendo estas el conjunto de actividades principales que imposibilitan la construcción de la central en la localidad. SUBDIMENSIÓN INDICADORES ESCALA DE MEDICIÓN Aerogenerador de eje horizontal Costo de implementación (U$) Disponibilidad Baterías Costo de implementación (U$) Disponibilidad NOMINAL Líneas de transmisión Integración a la red NOMINAL Velocidad del viento (m/s) RAZON Grado de frecuencia en los vientos ORDINAL RAZON NOMINAL RAZON Características del viento Precipitaciones Rayos o relámpagos Temperatura Grado de precipitación (L/m2) RAZON Frecuencia de rayos en la zona ORDINAL Temperatura en la zona (°C) INTERVALO 23 | P á g i n a C. MATRIZ DE CONSISTENCIA: Anexo 06: Matriz de consistencia Título : “Análisis de las dificultades tecnológicas y meteorológicas que impiden la implementación de una Central Eólica para la generación Chimbote-Perú, 2021” Autor : Chuquillanqui Guimaray Arnold Eduardo PROBLEMA OBJETIVOS Objetivo General ¿Qué dificultades tecnológicas y meteorológicas impiden la implementación de una central eólica para la generación de energía eléctrica en Chimbote, Perú? Identificar las dificulta-des tecnológicas y meteorológicas que impiden la implementación de una central eólica para la generación eléctrica en Chimbote-Perú, 2021 Objetivos Específicos Realizar un diagnóstico de la situación actual de la utilización de la energía eólica en Chimbote. Establecer y analizar las dificultades que impiden la implementación de una central eólica en Chimbote. Plantear alternativas de solución a las dificultades identificadas. HIPÓTESIS Las principales dificultades tecnológicas que impiden la implementación de una central eólica en Chimbote se encuentran relacionadas con los altos costos económicos de los componentes principalmente del aerogenerador y las baterías, otro punto a tener en cuenta es la disponibilidad de los componentes y la dificultad en su ensamblaje. Mientras que en las dificultades meteorológicas surgen dificultades como la irregularidad de la velocidad del viento en los meses del año y la alta frecuencia de precipitaciones en la zona. eléctrica en VARIABLES E INDICADORES - Variable: Dificultades tecnológicas - Variable: Dificultades meteorológicas: 24 | P á g i n a TIPO DE DISEÑO E INVESTIGACIÓN TIPO: La investigación según su aplicabilidad es básica. Vargas (2009) la define como “una investigación pura, que se ocupa del objeto de estudio sin considerar una aplicación inmediata, pero a partir de sus resultados pueden surgir conocimientos para futuros avances científicos” La investigación según su profundidad es descriptiva con enfoque mixto. Muntané (2010), lo define como “tipo de investigación que se basa en el análisis pormenorizado del fenómeno de estudio, se limita a describir el fenómeno sin buscar las causas del mismo” DISEÑO: El diseño es no experimental específicamente es una investigación transeccional o transversal descriptiva, donde se establecen comparaciones entre datos recopilados de varias muestras. M: Parque Eólico de generador horizontal en Chimbote O: Observación de los indicadores cualitativos y cuantitativos METODOS DE LA INVESTIGACIÓN Método comparativo: Implica el análisis y la síntesis de las similitudes diferencias y patrones de dos o más casos que comparten un enfoque en común. Este método se aplicará al momento de analizar los datos recolectados sobre velocidades del viento y comparar en qué medida varia con el transcurrir del tiempo. Método descriptivo: Implica la descripción de los fenómenos de estudio en uno o más puntos del tiempo. Tiene como finalidad definir, clasificar, catalogar y caracterizar al objeto de estudio mediante la observación. POBLACIÓN Y MUESTRA Se cuenta con una población y muestra única, que se refiere a la central eólica de eje horizontal en Chimbote. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS Técnica: Observación Instrumento: Ficha técnica de observación de fenómenos Autor: Chuquillanqui Guimaray Arnold Año: 2021 Técnica: Recolección de datos de fuentes secundarias Instrumento: Cuadro de registro de datos, de velocidades de viento, precipitaciones Autor: Chuquillanqui Guimaray Arnold Año: 2021 Técnica: Revisión bibliográfica Instrumento: Fichas resúmenes de libros Autor: Chuquillanqui Guimaray Arnold Año: 2021 Método inductivo: Utiliza el razonamiento para obtener conclusiones, que parten de hechos particulares para aplicarlos a hechos generales. Es complicado medir la encontrar los datos de velocidades en todo el año, por lo que se realizará un análisis inductivo para los meses en donde no encontremos información sobre las velocidades. Procedimiento o forma de tratamiento de la información: La información recolectada en las mediciones será procesada en el Software Excel, esta herramienta no solo nos permitirá la clasificación y organización de la información obtenida, sino que también permitirá la obtención de gráficos estadísticos, tablas de frecuencia, diagramas e inclusive facilitará el cálculo en caso se realicen procedimientos matemáticos o similares. 25 | P á g i n a D. PRESUPUESTO DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: Anexo 07: Presupuesto de bienes y servicios en el desarrollo del trabajo de investigación GENERICA PARTIDA ESPEFICA 2.3.1.5.1.2 PRESUPUESTO ANALITICO DE BIENES COSTO S/. ADQUISICIÓN DE PAPELERIA EN GENERAL, UTILES Y MATERIALES DE OFICINA Costo por adquisición de útiles de escritorio (lápices, lapiceros, borradores y tajadores) 2 2.3.1.6.1 2.3.1.9.1.1 Costo por adquisición de papel bond y cuadernos Costo de compra de calculadora científica Costa de compra de archivadores 40 70 80 35 ADQUISICIÓN DE REPUESTOS Y ACCESORIOS CONSIDEADOS COMO INSTRUMENTAL Costo por adquisición de cartuchos de tinta para impresoras Costo por adquisición de mouse para laptop Pago por posible reparación de laptop o computadora Pago por posible reparación de impresora 50 35 90 80 LIBROS, TEXTOS Y OTROS MATERIALES IMPRESOS Costo por impresión de libros utilizados de referencia Costo por impresión de textos Costo por impresión de imágenes o mapas de referencia. 20 20 20 GENERICA P.ESPECIF PRESUPUESTO ANALITICO DE SERVICIOS 2.3.2.2.1.1 SERVICIO DE SUMINISTRO DE ENERGÍA ELECTRICA Pago por servicio de suministro eléctrico a Hidrandina 2.3.2.2.2.3 2 2.1.21.21 350 GASTOS POR CONCEPTO DE CONEXIÓN A LA RED Pago servicio de internet 240 GASTOS POR SERVIVIOS DE MOVILIDAD Pago por servicios de movilidad TOTAL 110 1240 26 | P á g i n a