ENERGIA E

1
ENERGIA
EÓLICA
2
INTRODUCCIÓN

• Nos molesta. Nos quema la cara. Nos despeina. Nos
  da frío. Nos agrada. Nos gusta. Nos ayuda. Es
  malo. Es bueno. Nos da energía.
• El viento, desde la anterior descripción lo vemos
  lleno de contradicciones en cuanto a sus efectos,
  pero es una de las fuentes de energía más
  baratas, ya que con el transcurso de los años
  disminuyen los costos a medida que mejora la
  tecnología para la energía eólica, que se
  perfila como una respuesta frente a las energías
  fósiles contaminantes.

3
HISTORIA

• La fuerza del viento se ha utilizado
  principalmente como medio de locomoción. Hay
  constancia de dibujos egipcios, datados hace 5000
  años, de barcos con velas para trasladarse por el
  Nilo.
• Posteriormente y ya en los siglos V y VI (d.C)
  hay constancia de los primeros artilugios eólicos
  que eran de eje vertical, utilizados para moler
  grano y bombear agua.
• En el siglo XI los molinos de viento eran
  utilizados de forma extensiva en todo Medio
  Oriente, siendo introducidos en Europa en el
  siglo XIII como consecuencia de las cruzadas.

4
Hasta la aparición de la máquina de vapor durante
la revolución industrial, los molinos de viento
tuvieron una gran importancia en el desarrollo
económico de Europa. En la década de 1970, y
como consecuencia de la crisis energética, los
países desarrollados inciden en el plano de la
investigación y el desarrollo, apareciendo la
tecnología que permitiría la producción de las
actuales turbinas eólicas.
5
Un pionero de la turbina eólica Charles F. Brush

• Charles F. Brush (1849-1929) es uno de los
  fundadores de la industria eléctrica americana.
• Inventó por ejemplo un dinamo muy eficiente de
  corriente continua utilizada en la red eléctrica
  pública

6
Las turbinas de F.L. Smidth

• 1940-1950 Durante la segunda guerra mundial, la
  compañía danesa de ingeniería F.L. Smidth (ahora
  un fabricante de maquinaría para la industria
  cementera) construyó diversos aerogeneradores bi
  y tripala.

7
Johannes Juul y las turbinas Vester Egeborg

• Turbina Vester Egesborg.
• El ingeniero Johannes Juul fue uno de los
  primeros alumnos de Poul la Cour en sus cursos
  para "electricistas eólicos" en 1904.

8
Empleo de la energía eólica en México a través
del tiempo

• El desarrollo de la tecnología en conversión de
  energía eólica en electricidad, se inicio con un
  programa de aprovechamiento de la energía eólica
  en el instituto de investigaciones eléctricas en
  febrero de 1977.
• Cuando la gerencia general de operaciones de
  Comisión Federal de Electricidad cedió al IIE la
  estación experimental eoloeléctrica de el
  Gavillero en las cercanías de Huichapan,
  Hidalgo. Integrada por dos aerogeneradores
  Australianos Dulite de 2 kW cada uno, un banco de
  baterías y un inversor de 6 kW para alimentar la
  red del poblado.

9

• El IIE desarrollo y probó en el Gravillero los
  siguientes prototipos de aerogeneradores
• Uno de 1.5 kW, tres aspas de aluminio con control
  centrifugo de ángulo de ataque (1977-1978)
• El Fénix, de 2 kW, eje horizontal y tres aspas
  fijas de lámina de hierro, y control de cola
  plegable (1981-1983).
• El albatros I, de 10 kW, eje horizontal, 11
  metros de diámetro, tres aspavelas de Al forradas
  de tela de dacrón de alta resistencia
  (1981-1985).
• El albatros II, de 10 kW, eje horizontal, tres
  aspas de fibra de vidrio súper delgadas con
  control por torcimiento de aspas (1986-1987)
• La segunda versión del Fénix con tres aspas de
  fibra de vidrio (1992-1995).
• La avispa de 300 W, eje horizontal, tres aspas de
  fibra de vidrio y control por timón de cola
  plegable (1990-1995)
• Se desarrollo una aerobomba mecánica denominada
  Itia de eje horizontal de 5 aspas metalicas
  con una potencia de ¼ de Hp, a 50 m de
  profundidad.

10
Qué es el viento?

• Es el desplazamiento horizontal de las masas
  de aire, causado por las diferencias de presiones
  atmosféricas, atribuidas a la variación de
  temperatura sobre las diversas partes de las
  superficie terrestre

11
Causas por las que se forma el Viento
Hay dos causas principales por las que se forma
el viento. Una es que la Tierra está
continuamente girando alrededor de su propio
eje.Si imaginamos que la troposfera es decir,
el aire permaneciera quieta, sentirías el aire
como si fuese viento cuando la Tierra estuviese
girando.Afortunadamente el aire en el primer par
de cientos de metros sigue la rotación de la
Tierra, por lo que no hace tanto viento como el
que podría haber si el aire permaneciese
completamente quieto
12
La otra causa del viento, es el hecho de que el
sol no calienta la Tierra de modo uniforme.
Puedes ver que los rayos de sol cubren un área
mucho mayor en los polos que en el ecuador. Esta
es la razón por la que en el ecuador, 1 metro
cuadrado de superficie se calentará mucho más que
en los polos
13
El aire caliente se eleva desde el ecuador y
flota hacia los polos. Esto deja espacio para que
los vientos fríos del norte y del sur soplen
hacia el ecuador. Resumiendo, el viento que
sentimos es causado por dos motivos1) La
rotación de la Tierra 2) La diferencia de
temperaturas en la Tierra
14
(No Transcript)
15
Principio de funcionamiento de un aerogenerador

• Los aerogeneradores son dispositivos que
  convierten la energía cinética del viento en
  energía mecánica. La captación de la energía
  eólica se produce mediante la acción del viento
  sobre las palas.

16
El principio aerodinámico por el cual el conjunto
de palas gira, es similar al que hace que los
aviones vuelen. Según este principio, el aire es
obligado a fluir por las caras superior e
inferior de un perfil inclinado, generando una
diferencia de presiones entre ambas caras, y
dando origen a una fuerza resultante que actúa
sobre el perfil.
17
Si descomponemos esta fuerza en dos direcciones
obtendremos Fuerza de sustentación, o
simplemente sustentación de dirección
perpendicular al viento Fuerza de arrastre,
de dirección paralela al viento.
18

• La energía cinética E del flujo, esta dado por
• Donde m es la masa de aire en el cilindro.
  Podemos convertir la expresión de la energía
  cinética en una expresión para la potencia,
  dividiéndola entre el tiempo
•  
• Donde dm/dt representa la razón del flujo de
  aire a lo largo del cilindro. La masa de aire en
  el cilindro es igual a la densidad del aire por
  el volumen del cilindro, esto es ?(AL). Pero la
  longitud (L) del cilindro dividida entre el
  tiempo es igual a la velocidad u, por lo tanto
  tenemos que la razón de flujo de aire (dm/dt) es
  igual a ?Au en la ecuación anterior, la expresión
  para la potencia queda de la siguiente manera

19

• Esta es la ecuación para el análisis de la
  potencia del viento, y puede ser escrita de la
  siguiente forma
•  
• La potencia P está dada generalmente en watts. El
  valor de la densidad del aire en condiciones
  estándar es de 1.2929 kg/m3, este valor es el
  comúnmente usado para los cálculos de la energía
  eólica.
• La potencia entregada por un aerogenerador está
  afectada por las eficiencias aerodinámica (Cp),
  mecánica y eléctrica.

20
(No Transcript)
21
Funcionamiento

• Los aerogeneradores aprovechan la velocidad de
  los vientos comprendidos entre 5 y 25 metros por
  segundo. Con velocidades inferiores a 5 metros
  por segundo, el aerogenerador no funciona y por
  encima del límite superior debe pararse, para
  evitar daños a los equipos.

22
La potencia producida aumenta con el area de
barrido del rotor

• El área del disco cubierto por el rotor (y,
  por supuesto las velocidades del viento)
  determina cuanta energía podemos colectar en un
  año

23
Aerogeneradores para aplicaciones aisladas

• Son aerogeneradores pequeños que se utilizan
  para alimentar cargas que están alejadas de las
  redes eléctricas convencionales

24
Son aerogeneradores de tamaño considerable, que
típicamente se conectan a una red eléctrica
convencional, para contribuir a la alimentación
de cargas especificas de capacidad importante o
para construir centrales eoloeléctricas, llamados
parques eólicos
25
Distribución de los aerogeneradores
26
Clasificación

• Por el tipo de eje
• Eje Vertical
• También conocidos como VAWT, que proviene de las
  siglas en ingles (vertical axis wind turbines),
  La ventaja fundamental de los aerogeneradores de
  eje vertical es que captan viento en cualquiera
  de las direcciones, además de que el eje de
  rotación se encuentra en posición perpendicular
  al suelo y a la dirección del viento. En cambio
  como desventaja necesitan una motorizacion para
  vencer el elevado par de arranque, dado el perfil
  aerodinamico y la simetria del diseño.
• Tipos
• Savonius Dos o más filas de semicírculos
  colocados opuestamente alrededor del eje.
• Darrieus Consiste en dos o tres arcos que giran
  alrededor del eje.

27
Eje Horizontal

• También conocidos como HAWT, que proviene de las
  siglas en ingles (horizontal axis wind turbines).
  Su característica principal es que el eje de
  rotación se encuentra paralelo al suelo y a la
  dirección del viento. Su principal ventaja es,
  que al estar a una altura de entre 40 y 60 metros
  del suelo, aprovecha mejor las corrientes de
  aire, y todos los mecanismos para convertir la
  energía cinética del viento en otro tipo de
  energía están ubicados en la torre y la góndola,
  además de tener una eficacia muy alta. La
  desventaja es, la fuerza que tiene que resistir
  las palas y en velocidades altas de viento, más
  de 100 Km/h deben de ser parados para evitar
  daños estructurales.

28
Por la orientación con respecto al viento

• El mecanismo de orientación de un aerogenerador
  es utilizado para girar el rotor de la turbina en
  contra del viento. Se dice que la turbina tiene
  un error de orientación si el rotor no esta
  perpendicular al viento. Un error de orientación
  implica que una menor proporcion de la enegia del
  viento pasara a traves del area del rotor.

29
Barlovento

• También denominado a proa. La mayoría de los
  aerogeneradores tienen este tipo de diseño.
  Consiste en colocar el rotor de cara al viento,
  siendo la principal ventaja el evitar el abrigo
  del viento tras la torre. Como desventaja diremos
  que necesita mecanismo de orientación del rotor,
  y que esté situado a cierta distancia de la
  torre.

30
Sotavento

• También denominado a popa. Como ventaja presenta
  que el rotor puede ser más flexible, y que no
  necesita mecanismo de orientación. Su principal
  inconveniente es la fluctuación de la potencia
  eólica, debido al paso del rotor por el abrigo de
  la torre, por lo que crea más cargas de fatiga en
  la turbina que con el diseño anterior
  (Barlovento).

31
Por el numero de Palas

• Al tener una sola pala estos aerogeneradores
  precisan un contrapeso en el otro extremo para
  equilibrar. Su velocidad de giro es muy elevada,
  lo que supone un inconveniente ya que introduce
  en el eje unos esfuerzos muy variables, lo que
  supone un acortamiento de la vida de la
  instalación.

32
De dos Palas

• Los diseños de bipalas tienen la ventaja de
  ahorro en cuanto a costo y peso, pero por el
  contrario necesitan una velocidad de giro más
  alta para producir la misma cantidad de energía.

33
De tres Palas

• La mayoría de los aerogeneradores de hoy día son
  tripala, con el rotor a barlovento (con el rotor
  mantenido en la posición corriente arriba),
  usando motores eléctricos para sus mecanismos de
  orientación. El motivo es la fricción con el
  aire, con tres palas es un 4 más eficiente que
  con dos y con 2 palas es un 10 más eficiente que
  con una.

34
Multipala

• También conocido como el modelo americano, debido
  a que una de sus primeras aplicaciones fue la
  extracción de agua en pozos.

35
Partes de un Aerogenerador
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37
Partes de un Aerogenerador

• La góndola
• Contiene los componentes clave del aerogenerador,
  incluyendo el multiplicador y el generador
  eléctrico. El personal de servicio puede entrar
  en la góndola desde la torre de la turbina.

• Las palas del rotor
• Para transformar la energía eólica en
  electricidad, un generador capta la energía
  cinética del viento por medio de su rotor
  aerodinámico y la transforma en energía mecánica.
  Transmiten su potencia hacia el buje. En un
  aerogenerador moderno de 1500 kW cada pala mide
  alrededor de 40 metros de longitud y su diseño es
  muy parecido al del ala de un avión.

38

• El buje
• Este elemento realiza la unión de todas las palas
  del aerogenerador. Dentro del buje se incluyen
  los accionadores de los frenos aerodinámicos o
  los mecanismos de giro de las palas. El buje se
  monta sobre el eje de baja velocidad, desde el
  cual se transmite el par motriz al multiplicador
  de velocidad.

• El eje de baja velocidad
• Conecta el buje del rotor al multiplicador. En un
  aerogenerador moderno de 1500 kW, el rotor gira
  muy lento, a unas 20 a 35 revoluciones por minuto
  (r.p.m.).

39

• El multiplicador
• Permite que el eje de alta velocidad que está a
  su derecha gire 50 veces más rápido que el eje de
  baja velocidad. El eje de alta velocidad Gira
  aproximadamente a 1.500 r.p.m. lo que permite el
  funcionamiento del generador eléctrico.

40

• El generador eléctrico
• Esta formado por una maquina eléctrica encargada
  de transformar la energía mecánica de rotación en
  energía eléctrica.

• El controlador electrónico
• Es un ordenador que continuamente monitoriza las
  condiciones del aerogenerador y que controla el
  mecanismo de orientación. En caso de cualquier
  disfunción automáticamente para el aerogenerador
  y llama al operador encargado de la turbina a
  través de un enlace telefónico mediante módem

41

• La unidad de refrigeración
• Contiene un ventilador eléctrico utilizado
  para enfriar el generador eléctrico. Además
  contiene una unidad refrigerante por aceite
  empleada para enfriar el aceite del
  multiplicador. Algunas turbinas tienen
  generadores refrigerados por agua.

• Sistema de Medición y orientación al viento
• La función del anemómetro es medir la
  velocidad del viento y avisar al controlador, en
  que momento se presenta el viento suficiente para
  hacer girar al aerogenerador, orientarlo hacia el
  viento y empezar a funcionar.

42

• La torre.
• Soporta la góndola y el rotor. Generalmente
  es una ventaja disponer de una torre alta, dado
  que la velocidad del viento aumenta conforme nos
  alejamos del nivel del suelo. Una turbina moderna
  de 1.500 kW tendrá una torre de unos 60 metros.
  Las torres pueden ser torres tubulares o torres
  de celosía.
• Las torres tubulares son más seguras para el
  personal de mantenimiento de las turbinas ya que
  pueden usar una escalera interior para acceder a
  la parte superior de la turbina. La principal
  ventaja de las torres de celosía es que son más
  baratas. El mecanismo de orientación está
  activado por el controlador electrónico, que
  vigila la dirección del viento utilizando la
  veleta.

43
Sistema de frenado

• Freno Mecánico
• Un aerogenerador tiene dos tipos de freno
• Freno en punta de pala
• Freno mecánico Solo se utiliza como freno de
  emergencia, en caso de que el freno en punta
  falle.

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• Motor de Orientacion
• El rotor siempre debe encararse al viento
  para que el aerogenerador obtenga tanta energia
  como sea posible.

45
Panorama mundial de la energía eólica

• La energía eólica es la mayor componente
  renovable de la potencia instalada, en 2011
  creció en 40 GW en todo el mundo hasta alcanzar
  aproximadamente los 238 GW
• En 2007 se invirtieron aproximadamente US 71
  mil millones de dólares, del total el 47 fue
  destinado a la energía eólica

46
Wind Power Energy

• In 2011, 40GW of wind power capacity was
  installed, increasing the total to 238GW.
• Annual growth rate of cumulative wind power
  capacity between 2006-2010 averaged at 26
• Latin America saw the most significant growth in
  wind power. Brazil, Argentina, Chile, Dominican
  Republic, Honduras and Mexico all added capacity
  during 2011

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• En el año 2007, comenzó la construcción de una
  granja eólica mar adentro de 300 MW en Bélgica,
  la más grande en el continente europeo.
• Francia, Suecia y el Reino Unido han iniciado su
  desarrollo a nivel mar adentro en el período
  2006/2007, con granjas eólicas dentro del rango
  de 100150 MW que se espera para el bienio
  2008/2009.

53
La torre eólica mas alta del mundo

• La compañía alemana SeeBA acaba de inaugurar la
  torre eólica más alta del mundo 160 metros.
  Instalada en Laasow (Alemania) incluye un
  aerogenerador de 2,5 MW que añade otros 45 metros
  de altura hasta los 205 totales.

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57
La compañías eólicas más importante del mundo

• Vestas (Dinamarca), seguida por Gamesa
• (España), GE (EE.UU.), Enercon (Alemania),
• Suzlon (India), Siemens, Nordex, y Repower
• (Alemania), Acciona (España), y Goldwind
  (China),Mitsubishi.
• Iberdrola (españa)

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59
Bombeo de Agua Energía Eólica

• Se emplean alrededor de 1 millón de bombas
  mecánicas eólicas para el bombeo de agua,
  principalmente en Argentina.
• También se utiliza un considerable número de
  bombas eólicas en África, incluyendo Sudáfrica
  (300,000), Namibia (30,000), Cabo Verde (800),
  Zimbabwe (650), y muchos otros países (otros
  2,000).

60
SITUACION ACTUAL EN MÉXICO

• En el 2004 se tenían instalados 3 MW 2 MW en la
  zona sur-sureste y 1 MW en la zona noreste, con
  los que se generaron 6 GWh de electricidad. En
  2012 se tienen instalados mas de 750 MW Se tiene
  planeado llegar a 6700 MW en 2014 incluyendo
  autoabastecimiento y exportación

61
30 de octubre 2012 Boletín de Prensa
080 Secretaría de Energía El Secretario de
Energía, Jordy Herrera, acompañó al Presidente
Felipe Calderón a la inauguración de las
Centrales Eoloeléctricas La Venta III y Oaxaca
I. Durante la actual Administración, se logró una
capacidad instalada, proveniente de fuentes
renovables de energía, de 3 mil 600 Megawatts
(MW), sin contar las grandes hidroeléctricas,
indicó el Secretario de Energía, Jordy Herrera,
durante la Inauguración de las Centrales
Eoloeléctricas La Venta III y Oaxaca I,
encabezada por el Presidente Felipe Calderón.
El Titular de la SENER agregó que si a este
número le añadimos las grandes hidroeléctricas y
la central nuclear de Laguna Verde, al concluir
la Administración del Presidente Calderón,
tendremos cerca de 17 mil 200 MW de generación
limpia.
62
A la fecha, señaló, se han otorgado 141 permisos
para proyectos renovables. Específicamente, los
permisos de proyectos renovables en construcción
y, particularmente, los eólicos suman más de 2
mil MW adicionales a los que ya están puestos en
operación e irán entrando paulatinamente en
funcionamiento, en Oaxaca, Baja California,
Tamaulipas, Nuevo León, San Luis Potosí, Veracruz
y Chiapas. Asimismo, mencionó que el Presidente
Calderón decidió trazar e implementar una nueva
visión para nuestro país, donde la
sustentabilidad es una prioridad. Por ello,
subrayó, en el sector energético mexicano esta
visión se tradujo en metas y objetivos
específicos.
63

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66
POTENCIAL

• Los estudios del NREL y diversas instituciones
  mexicanas (ANES, AMDEE, IIE) han cuantificado un
  potencial superior a los 40,000 MW, siendo las
  regiones con mayor potencial, el Istmo de
  Tehuantepec, las penínsulas de Yucatán y Baja
  California.
• 
  

67
Las condiciones eólicas en el Istmo de
Tehuantepec son de las mejores a nivel mundial.
En Oaxaca hay zonas con velocidades del viento
medidas a 50m de altura superiores a 8.5 m/s,
con un potencial de 6,250 MW, y otras con
velocidades entre 7.7 y 8.5 m/s, con un potencial
de 8,800 MW.
En Baja
California, las mejores zonas están en las
sierras de La Rumorosa y San Pedro Mártir (274
MW). Yucatán (352 MW) y la Riviera Maya (157 MW)
tienen suficiente potencial para sustituir
plantas que operan con combustóleo, diesel y
generadoras de turbogas.
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69
COSTOS

• De acuerdo con CFE, los montos de la inversión
  para estos sistemas son de 1,400 USD/kW, con un
  costo de generación de 4.34 centavos de dólar por
  kWh (USD/ kWh) y se estima que para el 2020 sean
  menores a los 3 c de USD por kWh

70
Centrales eoloeléctricas

• Como parte del Programa de Energías Renovables a
  Gran Escala (PERGE), la Subsecretaría de
  Planeación Energética y Desarrollo Tecnológico de
  la SENER solicitó a CFE incluir en el plan de
  expansión de la generación, cinco proyectos
  eoloeléctricos de 101.4 MW cada uno.
• Así el PRC 2007 considera cinco centrales de este
  tipo La Venta III, y Oaxaca I, II, III y IV, con
  una capacidad total de 507 MW durante 20072010,
  por ubicarse en el Istmo de Tehuantepec en la
  región de La Ventosa.

71

• Para este tipo de proyectos, en los estudios de
  expansión de largo plazo se consideraron
  incentivos económicos del fondo verde que
  administrará la SENER, hasta por un monto máximo
  de 1.25 centavos de dólar/kWh, durante los
  primeros 5 años de operación de la central. Así
  mismo, en su evaluación económica, además de
  dichos incentivos se consideraron beneficios por
  venta de bonos de carbón

72
Red de temporada abierta para proyectos

• EÓLICOS EN LA REGIÓN DEL ISTMO DE TEHUANTEPEC
• El Plan Nacional de Desarrollo 2007-2012 propone
  impulsar el uso eficiente de la energía, así como
  la utilización de tecnologías que permitan
  disminuir el impacto ambiental generado por los
  combustibles fósiles tradicionales.

73
Proyectos en desarrollo

• la SENER tiene programada la construcción de
  otros 505 MW de capacidad eólica (en la modalidad
  de productor independiente) en la misma región en
  los próximos años, con lo que se espera tener
  instalados 588 MW en 2014. Existen 7 permisos
  otorgados por la CRE para proyectos privados de
  autoabastecimiento con tecnología eólica que
  aportarán en los próximos años un total de poco
  más de 950 MW al Sistema Eléctrico Nacional.

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78
La Venta, eoloeléctrica Ficha Técnica
79
Empleo en la industria eólica

• La energía eólica empleo en 1995 a unas
  30,000 personas en todo el mundo. Esta estimación
  se basa en un estudio de la asociación danesa de
  la industria eólica, que fue publicado en 1995.
• El estudio considera tanto el empleo directo
  como el empleo indirecto. Por empleo indirecto
  entendemos las personas que trabajan fabricando
  componentes de aerogeneradores, y los
  involucrados en la instalación de aerogeneradores
  en todo el mundo.
• La industria eólica danesa tenia alrededor
  de 8500 empleados en 1995.
• Ensamblaje de la
  turbina 3600
• Palas del rotor
  2000
• Controladores
  700
• Frenos, hidráulica
  200
• Torres
  1500
• Instalación de las
  turbinas 300
• Otros
  300

80
Aerogeneradores y entorno ambiental

• Es una energía limpia ya que la generación de
  electricidad a partir del viento no produce gases
  tóxicos, no origina residuos contaminantes.

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IMPACTOS AMBIENTALES

• Especies de fauna voladora
• Suelo y vegetación
• Visual
• Sonoro

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NORMATIVIDAD Y FOMENTO AMBIENTAL PARA EL
DESARROLLO DE LA ENERGÍA EÓLICAEN MÉXICO
PROPÓSITO DE LA NOM-151

• Fomentar la actividad eoloeléctrica en un marco
  de eficiencia y sustentabilidad.
• Establecer con certeza los condicionamientos
  ambientales que deben cumplir los proyectos.
• Simplificar el cumplimiento de la legislación
  Informe Preventivo en vez de Manifestación de
  Impacto Ambiental.

83
OBJETO DE LA NOM

• Establecer las especificaciones técnicas para la
  protección del medio ambiente durante la
  preparación del sitio, construcción, operación y
  abandono de instalaciones eoloeléctricas.
• El objeto es prevenir y mitigar los impactos
  ambientales que puedan producir estas
  actividades.

84

• http//apps1.eere.energy.gov/consumer/your_home/el
  ectricity/index.cfm/mytopic10501
• http//www.windpower.org/es/kids/index.htm