1 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN MINI AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL Autores CAROLINA ESPITIA CAITA LILIAN JOHANNA PUERTO MOLINA UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA EN MECATRONICA BOGOTA D.C. 2014 2 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN MINI AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL Autores CAROLINA ESPITIA CAITA LILIAN JOHANNA PUERTO MOLINA Proyecto de Grado para optar por el título de Ingeniero en Mecatrónica Tutor Ing. JAIME DUQUE UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERIA EN MECATRONICA BOGOTA D.C. 2014 3 Nota de aceptación: El trabajo de grado titulado “DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN MINI AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL”, elaborado y presentado por los estudiantes Carolina Espitia Caita y Lilian Johanna Puerto Molina, como requisito para optar al título de Ingeniero en Mecatrónica, fue aprobado por el jurado calificador. ______________________________ Prof. Ing. Jaime Duque ______________________________ Firma del jurado ______________________________ Firma del jurado Bogotá D.C., (07,11, 2014) 4 DEDICATORIA Dedicamos esta tesis a nuestros padres Martha Caita, German Espitia, Marleny Molina y Gustavo Puerto por el apoyo y confianza para cumplir nuestros objetivos y sueños, a toda nuestra familia y amigos que siempre estuvieron acompañándonos a lo largo de estos años. 5 AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a: La Universidad Militar Nueva Granada, en especial al programa de Ingeniería en Mecatrónica, a todos sus docentes y principalmente al director del proyecto el Ingeniero Jaime Duque Jaramillo por todo el apoyo, tiempo y dedicación durante todo el desarrollo del proyecto. A todas aquellas personas que han hecho parte de nuestra vida académica y personal, y que gracias a su sabiduría y apoyo nos acompañaron hasta el final. Carolina Espitia Caita Lilian Johanna Puerto Molina 6 RESUMEN El objetivo principal de este proyecto de grado es diseñar y construir un prototipo de un mini aerogenerador de eje vertical para trabajar con energía eólica y así suplir la demanda energética de una casa ubicada en la ciudad de Bogotá, este tipo de aerogenerador trae varias ventajas como aprovechamiento de los recursos naturales, bajo costo de mantenimiento, no necesita orientación al viento. El uso de este tipo de aerogeneradores es una buena alternativa para generar energía eléctrica en zonas rurales y fincas. A lo largo de este documento se contextualiza sobre los diferentes temas de investigación que involucra este tipo de aerogenerador, se da una descripción del estado del arte, se dan los parámetros necesarios para el diseño, construcción e implementación del mismo. Palabras claves: aerogenerador de eje vertical, energía eólica, demanda energética, viento, recursos naturales. 7 ABSTRACT The main objective of this project is to design and build a prototype of a mini vertical axis wind turbine to work with wind energy and thus meet the energy demand of a house located in the city of Bogotá, this type of wind turbine brings several advantages in the use of natural resources, low maintenance, no need to wind direction. The use of this type of wind turbine is a good alternative to generate electricity in rural areas and farms. Throughout this document is contextualized on different research topics involving this type of wind turbine, a description of the state of the art is given, the parameters required for the design, construction and implementation of this are given. Keywords: vertical axis wind turbine, wind energy, energy demand, wind, natural resources. 8 CONTENIDO Pág. INTRODUCCION ............................................................................................................... 16 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................ 17 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 17 OBJETIVO GENERAL .................................................................................................. 17 OBJETIVOS ESPECIFICOS........................................................................................ 17 JUSTIFICACION................................................................................................................ 18 METODOLOGIA ................................................................................................................ 18 CAPITULO 1. MARCO CONCEPTUAL ..................................................................... 20 1.1 ENERGIA EOLICA.................................................................................................. 20 1.1.1 Ventajas de la energía eólica ......................................................................... 20 1.1.2 Desventajas de la energía eólica................................................................... 20 1.2 TIPOS DE AEROGENRADORES EOLICOS ..................................................... 20 1.2.1 Eje horizontal .................................................................................................... 21 1.2.2 Eje vertical ......................................................................................................... 21 1.2.2.1 Savonius .................................................................................................... 23 1.2.2.2 Darrieus ..................................................................................................... 23 1.2.2.3 Darrieus tipo H o Giromill ........................................................................ 24 1.2.2.4 Prototipo Windside ................................................................................... 25 1.3 CLASIFICACION DE LOS AEROGENERADORES EOLICOS ...................... 26 1.4 MODELOS ENERGIA EÓLICA............................................................................. 26 1.4.1 El viento y su energía ...................................................................................... 26 1.4.2 Teorema De Betz ............................................................................................. 28 1.5 GENERACION ELECTRICA ................................................................................. 31 1.5.1 Devanados y campos en el generador ......................................................... 31 1.5.2 Alternador de imanes permanentes .............................................................. 32 1.6 PARAMETROS DE DISEÑO ................................................................................ 33 9 1.6.1 Velocidad de diseño......................................................................................... 33 1.6.2 Potencia nominal .............................................................................................. 40 1.6.3 Diseño del rotor ................................................................................................ 41 1.6.4 Diseño de los alabes ....................................................................................... 43 1.6.5 Diseño del eje ................................................................................................... 45 1.6.6 Selección de la transmisión ............................................................................ 46 1.6.7 Diseño del generador ...................................................................................... 47 CAPITULO 2. ESTADO DEL ARTE ........................................................................... 50 CAPITULO 3. CALCULOS ........................................................................................... 58 3.1 VELOCIDAD DE DISEÑO ..................................................................................... 58 3.2 POTENCIA NOMINAL............................................................................................ 58 3.2 DISEÑO DEL ROTOR............................................................................................ 59 3.3 DISEÑO DE LOS ALABES.................................................................................... 60 3.3 DISEÑO DEL EJE ................................................................................................... 60 3.4 SELECCIÓN DE LA TRANSMISION................................................................... 66 3.5 DISEÑO DEL GENERADOR ................................................................................ 67 3.5.1 Modificación del rotor....................................................................................... 68 3.5.2 Diseño y construcción del estator.................................................................. 69 CAPITULO 4. DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL AEROGENERADOR VERTICAL 72 4.1 DISEÑO MECANICO ............................................................................................. 72 4.1.1 Rotor ................................................................................................................... 72 4.1.2 Eje ....................................................................................................................... 73 4.1.3 Ruedas ............................................................................................................... 73 4.1.4 Chumaceras ...................................................................................................... 74 4.1.5 Alabes ................................................................................................................ 75 4.1.6 Estructura .......................................................................................................... 76 4.1.7 Transmisión ....................................................................................................... 78 4.1.8 Ensamble........................................................................................................... 78 4.2 DISEÑO ELECTRONICO ...................................................................................... 79 10 4.2.1 Rectificador ....................................................................................................... 79 4.2.2 Inversor .............................................................................................................. 79 4.2.3 Medidor carga de batería ................................................................................ 81 4.3 DISEÑO DEL SOFTWARE ................................................................................... 83 Se implementó un programa en MPLAB para un microcontrolador 18f4550 de MICRO CHIP, el cual muestra mediante una interfaz de usuario la carga de la batería. ......................................................................................................................... 83 4.3.1 Medidor carga de batería ................................................................................ 83 4.4 IMPLEMENTACION DEL DISEÑO MECANICO ............................................... 84 4.4.1 Rotor ................................................................................................................... 84 4.4.2 Eje ....................................................................................................................... 84 4.4.3 Ruedas ............................................................................................................... 85 4.4.4 Chumaceras ...................................................................................................... 85 4.4.5 Alabes ................................................................................................................ 85 4.4.6 Estructura .......................................................................................................... 88 4.4.7 Transmisión ....................................................................................................... 90 4.4.8 Ensamble ........................................................................................................... 90 CAPITULO 5. RESULTADOS OBTENIDOS ............................................................. 91 CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS .................................. 94 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................. 95 11 LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 0.1 Consumo Energía al Mes ............................................................................... 17 Tabla 2.1 Reporte anual de la energía eólica en el mundo 2010 .............................. 51 Tabla 3.1 Propiedades De Diseño Para Los Aceros Al Carbón Y Aleados ............. 61 Tabla 3.2 Factores De Confiablidad Aproximados CR 23 ............................................ 62 Tabla 3.3 Características del Imán ................................................................................. 67 Tabla 3.4 Potencia con respecto a la velocidad ........................................................... 68 Tabla 3.5. Voltaje generado con el nuevo calibre ........................................................ 71 Tabla 5.1 Voltaje En Función De La Velocidad ............................................................ 91 Tabla 5.2 Velocidad en RPM con respecto a la Energía Producida En Voltios ...... 92 Tabla 5.3 Velocidad en Km/h con Respecto a la Energía .......................................... 92 Tabla 5.4 Voltaje En Función De RPM .......................................................................... 92 12 LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1.1 Aerogenerador Onshore de tres palas de eje horizontal eco 100 .......... 21 Figura 1.2 Rotor Savonius ............................................................................................... 23 Figura 1.3 Rotor Darrieus................................................................................................. 24 Figura 1.4 Rotor Giromill .................................................................................................. 25 Figura 1.5 Prototipo Windside ......................................................................................... 25 Figura 1.6 Movimiento de un fluido a través de un conducto real o imaginario ...... 29 Figura 1.7 Devanados Y Campos Generadores .......................................................... 32 Figura 1.8 Alternador de Imanes Permanentes............................................................ 33 Figura 1.9 Rosa De Los Vientos Para Estación Universidad Militar ......................... 40 Figura 1.10 Efecto Venturi ............................................................................................... 43 Figura 1.11 Efecto Venturi En Un Ala ............................................................................ 44 Figura 1.12 Rotor Tipo Lenz2 .......................................................................................... 45 Figura 1.13 Viga apoyada en dos puntos ...................................................................... 46 Figura 1.14 Sistema de Poleas ....................................................................................... 46 Figura 2.1 Fotografía Marcellus y Jacobs aerogenerador ......................................... 54 Figura 2.2 Parque Eólico Offshore Thornton Bank ...................................................... 54 Figura 2.3 Aerogenerador Enercon E-126 Del Viento Estinnes, Bélgica ................. 55 Figura 2.4 Aerogenerador Darrieus ................................................................................ 56 Figura 2.5 Aerogenerador Savonius .............................................................................. 56 Figura 2.6 Aerogenerador Prototipo Windside ............................................................. 57 Figura 3.1 Diagrama de Fuerzas del Eje (Diseño En MDSolids) .............................. 64 Figura 3.2 Diagrama de fuerzas cortantes y momento flector ................................... 65 Figura 3.3 Sistema De Poleas......................................................................................... 66 Figura 3.4 Imán de Neodimio .......................................................................................... 68 Figura 3.5 Modificación del Rotor ................................................................................... 69 Figura 3.6 Diseño Del Estator ......................................................................................... 70 Figura 4.1 Desarrollo CAD del Rotor En SOLIDWORKS ........................................... 72 Figura 4.2. Desarrollo CAD del Rotor en SOLIDWORKS........................................... 73 Figura 4.3 Desarrollo CAD de las Ruedas en solidworks ........................................... 74 Figura 4.4 Chumacera ...................................................................................................... 74 Figura 4.5 Desarrollo CAD de la Base de los Alabes en SOLIDWORKS ................ 75 Figura 4.6 Ensamblaje de la Base con los Listones en solidworks ........................... 75 Figura 4.7 Ensamblaje Completo de los Alabes en SOLIDWORKS......................... 76 Figura 4.8 Desarrollo CAD de la Estructura en SOLIDWORKS ................................ 77 Figura 4.9 Desarrollo CAD de la Estructura en SOLIDWORKS ................................ 77 13 Figura 4.11 Ensamble del aerogenerador en SOLIDWORKS ................................... 78 Figura 4.12 Circuito Rectificador de Onda Completa .................................................. 79 Figura 4.13 Circuito Inversor ........................................................................................... 80 Figura 4.14 Diseño En 3d Del Circuito Inversor ........................................................... 80 Figura 4.15 Circuito para medir el nivel de carga de la Batería ................................. 82 Figura 4.16 Diseño en 3D del Circuito de Nivel de Carga .......................................... 82 Figura 4.17 Ensamble del Rotor ..................................................................................... 84 Figura 4.18 Ruedas del rotor ........................................................................................... 85 Figura 4.19 Moldes para los alabes ............................................................................... 86 Figura 4.20 Base ensamblada de los alabes ................................................................ 86 Figura 4.21 Alabes ............................................................................................................ 87 Figura 4.22 Alabes totalmente ensambladas................................................................ 87 Figura 4.23 Alabes totalmente ensambladas................................................................ 88 Figura 4.24 Estructura del aerogenerador .................................................................... 89 Figura 4.25 estructura del aerogenerador ..................................................................... 89 Figura 4.26 Ensamble completo del aerogenerador.................................................... 90 Figura 5.1 Banco De Pruebas ......................................................................................... 91 14 LISTA DE GRAFICAS Pág. Gráfica 1.1 Potencia Vs Diámetro Del Aerogenerador................................................ 28 Gráfica 1.2 El área bajo la curva representa la cantidad de energía eléctrica entrega por aerogenerador en periodo de evaluación. (Diseño propio) ................................. 30 Gráfica 1.3 Curvas De Factor De Planta Contra Relaciones De Velocidad Nominal Y Promedio Para Varios Factores De Forma De Distribución De Weibull ............... 31 Gráfica 1.4 Distribución de Frecuencia de Vientos para Enero11 .............................. 34 Gráfica 1.5 Distribución de frecuencia de Vientos para Febrero11 ............................ 35 Gráfica 1.6 Distribución de frecuencia de Vientos para Marzo11 ............................... 35 Gráfica 1.7 Distribución de frecuencia de Vientos para Abril11 .................................. 36 Gráfica 1.8 Distribución de frecuencia de Vientos para Mayo11 ................................ 36 Gráfica 1.9 Distribución de frecuencia de Vientos para Junio11 ................................ 37 Gráfica 1.10 Distribución de frecuencia de Vientos para Julio11 ............................... 37 Gráfica 1.11 Distribución de frecuencia de Vientos para Agosto11 ........................... 38 Gráfica 1.12 Distribución de frecuencia de Vientos para Septiembre11 ................... 38 Gráfica 1.13 Distribución de frecuencia de Vientos para Octubre11 ......................... 39 Gráfica 1.14 Distribución de frecuencia de Vientos para Noviembre11 .................... 39 Gráfica 1.15 Coeficiente de Potencia de Betz en Función de la Velocidad............. 41 Gráfica 2.1 Capacidad Total Instalada Energía Eólica En El Mundo 1997-2010 ... 52 Gráfica 3.1 Resistencia A La Fatiga Sn En Funcion De La Resistencia A La Tension, Para Acero Forjado Con Varias Condiciones De Superficie23 ................................... 61 Gráfica 3.2 Factor Por Tamaño 23................................................................................... 62 Gráfica 5.1 Voltaje Obtenido En Función De Rpm ...................................................... 93 15 LISTA DE ANEXOS Pág. Anexo 4.1: Planos Eje SOLIDWORKS .......................................................................... 73 Anexo 4.2 Planos Rueda SOLIDWORKS ..................................................................... 73 Anexo 4.3 Planos Molde Alabes solidworks ................................................................. 75 Anexo 4.4 planos listones SOLIDWORKS .................................................................... 76 Anexo 4.5 Planos aluminio alabe SOLIDWORKS ....................................................... 76 Anexo 4.6 Planos alabes SOLIDWORKS ..................................................................... 76 Anexo 4.7 Planos estructura 1 SOLIDWORKS ............................................................ 76 Anexo 4.8 Planos estructura 2 SOLIDWORKS ............................................................ 76 Anexo 4.9 Planos Ensamblaje SOLIDWORKS ............................................................ 78 Anexo 4.10 Explosionado SOLIDWORKS .................................................................... 78 16 INTRODUCCION Los aerogeneradores de eje vertical son aquellos en los que su eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo y tienen la capacidad de adaptarse a cualquier dirección de la corriente de viento. El objetivo principal de este trabajo de grado, es diseñar e implementar un prototipo funcional de un mini aerogenerador de eje vertical. Esta investigación se ha desarrollado por medio del método científico, el cual se compone de las siguientes etapas:  Planteamiento del problema  Formulación de los objetivos  Metodología  Análisis de resultados y conclusiones Este documento está dividido en seis capítulos. La primera parte del documento es la introducción y contiene la motivación del proyecto, la problemática alrededor del tema de investigación, los objetivos, los beneficios del proyecto y la metodología empleada. El capítulo 1 contiene el marco conceptual con el cual se busca contextualizar al lector sobre los diferentes temas de la investigación. El capítulo 2 contiene una breve descripción del estado del arte de los aerogeneradores verticales, sus aplicaciones actuales en el mundo y los trabajos realizados en Colombia. El capítulo 3 contiene los cálculos para obtener el diseño del aerogenerador de eje vertical. El capítulo 4 contiene la etapa de diseño e implementación del aerogenerador de eje vertical y se encuentra dividido en tres secciones, la primera muestra el diseño mecánico de cada componente, diseño asistido por computador (CAD), (elementos finitos) y la implementación del prototipo; la segunda muestra el diseño e implementación del circuito electrónico; la tercera muestra la implementación de la interfaz gráfica de usuario. El capítulo 5 contiene los resultados obtenidos con el desarrollo del proyecto. El capítulo 6 se presenta las conclusiones y trabajos futuros del proyecto. 17 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Buscar y aprovechar fuentes de energías alternas, en este caso energía eólica para abastecer de corriente eléctrica en una casa ubicada en Cajicá, la cual consume la siguiente energía al mes: Electrodoméstico Potencia Eléctrica (Watts) Horas (día) Energía KWh (mes) 2 bombillos luz blanca 50W 5 7,5 1 televisor 21” 80W 6 14,4 1 grabadora 30W 3 2,7 Total 24,6 Tabla 0.1 Cons um o Energía a l Mes Para esto se va a construir un mini aerogenerador de eje vertical para convertir la energía eólica en corriente eléctrica. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL  Diseñar y construir un mini aerogenerador de eje vertical con potencia máxima de 25KWh (mes) para implementarlo en una casa. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Comprender los principios fundamentales de los aerogeneradores para la generación de corriente eléctrica a través de energías renovables.  Aprovechar la energía eólica para la generación de corriente eléctrica y con esta satisfacer la demanda de energía necesaria para la cabaña.  Obtener los parámetros necesarios para el diseño del mini aerogenerador de eje vertical.  Evaluar el desempeño del mini aerogenerador teniendo en cuenta los resultados esperados y los resultados obtenidos.  Documentar los resultados obtenidos. 18 JUSTIFICACION Se desea construir un mini aerogenerador de eje vertical para suplir la demanda energética de una casa ubicada en Cajicá, este tipo de aerogenerador trae varias ventajas como aprovechamiento de los recursos naturales, bajo costo de mantenimiento, no necesita orientación al viento. El uso de estos pequeños aerogeneradores ha sido una alternativa para la generación de energía eléctrica en zonas rurales y fincas. La generación de la energía eléctrica será puntual y no tendrá desplazamientos y su impacto en el paisaje es mínimo, de manera que se logra una tecnología que vista holísticamente abarca la parte económica, ambiental y de necesidades básicas del lugar puntual de desarrollo. METODOLOGIA A continuación se presenta la metodología que se propuso para el desarrollo del proyecto de investigación. Definir el problema: plantear el problema que se desea solucionar  Definir el tema de investigación.  Ubicar el tema en el contexto: tiempo, espacio y concepto.  Delimitar el proyecto: ¿Qué aspectos de diseño van a tratar?  Definir el objetivo general y los objetivos específicos del proyecto.  Justificar la realización del proyecto: ¿Por qué es importante el estudio? ¿Qué información aportará? ¿A quiénes beneficia? ¿Qué utilidad tendrá? ¿Qué problemas podría resolver?  Planteamiento de la metodología: ¿Cómo se cumplirán los objetivos planteados? Recolección de información  Es necesario realizar una revisión documental (publicaciones técnicas, bases de datos, patentes, bibliografías de apoyo) que permita conocer a fondo el tema, para poder hacer un balance y tener claridad sobre que se ha investigado y sobre que no. 19  Revisar el estado del arte de los aerogeneradores verticales que se han realizado en el mundo y en Colombia. Generar alternativas de solución: lluvia de ideas Seleccionar la mejor alternativa  Se evalúan cada una de las soluciones que surgieron de la lluvia de ideas para escoger la mejor solución (viable y factible). Diseño detallado Diseño mecánico  Obtener las dimensiones del aerogenerador teniendo en cuenta las normas establecida para Colombia por el ICONTEC  Diseñar los componentes del aerogenerador vertical  Realizar el CAD del aerogenerador  Seleccionar el material de cada componente Diseño electrónico  Seleccionar el generador adecuado y los componentes necesarios para la producción de la energía eléctrica. Diseño del software  Desarrollar la interfaz de usuario para la visualización de los datos sensados. Manufactura y ensamble  Construir las partes que conforman el aerogenerador y mecanizar las piezas que sean necesarias.  Ensamblar el aerogenerador. Pruebas finales y análisis de resultados: realizarán las pruebas pertinentes, corroborando que se cumplan los objetivos del proyecto 20 CAPITULO 1. MARCO CONCEPTUAL 1.1 ENERGIA EOLICA Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas útiles para las actividades humanas (Consejo de Energias Renovables, 2013). Según el Ministerio de Minas y Energía con un viento de 4-5 m/s. la generación de energía con equipos autónomos es viable a una altura de diez metros para generadores horizontales. Para conocer la factibilidad de un prototipo aislado se deben tomar medidas con un pequeño equipo eólico y la medición del viento sobre una base adecuada, lo que permite relacionar el comportamiento del viento y la capacidad eléctrica haciendo una toma bimestral para la valoración del recurso sobre una base empírica de dirección del viento para su implementación (Pinilla S, 1997). 1.1.1 Ventajas de la energía eólica Las principales ventajas de la energía eólica (Villarubia López, 2012):  No emite gases contaminantes, ni efluentes líquidos, ni residuos sólidos, tampoco utiliza agua.  Reduce emisiones de CO2  No requiere minería de extracción subterránea o a cielo abierto  Ahorra combustibles, diversifica el suministro y reduce la dependencia energética. 1.1.2 Desventajas de la energía eólica Algunas desventajas de la energía eólica son:  El viento es aleatorio y variable, tanto en velocidad como en dirección.  Tiene un impacto ambiental sobre la fauna, en particular sobre las aves. 1.2 TIPOS DE AEROGENRADORES EOLICOS Según la disposición del eje de giro: 21 1.2.1 Eje horizontal Su principal característica es que su eje de rotación se encuentra en paralelo al suelo y a la dirección del viento (Tosatado, 2008). Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores o moto reductores (Antezana Nuñez, 2004) Figura 1.1 Aerogenerador Ons hore de tres pa las de e je horizonta l eco 100 1 1.2.2 Eje vertical Su principal característica es que su eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo, tienen la capacidad de adaptarse a cualquier dirección de la corriente de viento por lo que también se les conoce como “Panemonos” que quiere decir todos los vientos, lo que elimina los mecanismos de orientación. A excepción del rotor Darrieus, los aerogeneradores de eje vertical operan con vientos de baja velocidad (200 RPM). Este mecanismo trabaja por la diferencia de arrastre entre las dos mitades de la sección expuesta al viento. Se emplean para generar potencias que van de los 200 W a los 4MW (Antezana Nuñez, 2004). 1 (Alstom, 2013) 22 Unas de las grandes ventajas que tienen este tipo de aerogeneradores son (Fernández Muerza, 2010):  No necesitan grandes inversiones porque sus dimensiones pueden ser pequeñas y no exigen una torre potente o equipamientos como los de eje horizontal. Su instalación y mantenimiento es sencillo, y se pueden ubicar en cualquier lugar, tanto en el suelo como en un tejado o azotea.  Aprovechan mejor los vientos turbulentos y de baja altura, así como las irregularidades del terreno, que incrementan la velocidad del viento. Los edificios lo redireccionan hacia arriba y pueden llegar a doblar su velocidad, la cual turbina aprovecha.  Funcionan de manera silenciosa, algo indispensable en lugares habitados, tanto urbanos como rurales. A diferencia de los de eje horizontal, se ponen en marcha con pequeñas velocidades del viento y son más resistentes a los vientos fuertes.  Su alineación vertical recibe al viento desde cualquier dirección, y por tanto, no requieren ningún sistema de alineamiento del aerogenerador, como los de eje horizontal. Aspectos Ambientales: La producción de un KWh por medio de sistemas aerogeneradores genera un impacto ambiental: a. 4 veces menor que con gas natural. b. 10 veces menor que con plantas nucleares. c. 20 veces menor que con carbón o petróleo. Debido a que el proceso no genera residuos peligrosos (RESPEL) ni en su producto hay emisión de gases invernadero como CO2. A diferencia de los grandes aerogeneradores que se encuentran en los parques eólicos, el impacto en la flora y fauna de la región de este tipo de aerogeneradores domésticos es mínimo, ya que son de baja dimensión. (ICONTEC, GTC 172. Energía Eólica. Guia para Generación de Energía Eléctrica, 2008). 23 1.2.2.1 Savonius El modelo del rotor Savonius es el más simple. Consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual sus dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una S (Figura 1.2); las partes cóncavas de la S captan el viento, mientras que los reversos presentan una menor resistencia al viento, por lo que giraran en el sentido que menos resistencia ofrezcan. Este sistema tiene el inconveniente de presentar una sobre presión en el interior de las zonas cóncavas al no poder salir el aire, perjudicando el rendimiento; el sistema queda mejorado separando ambas palas y dejando un hueco entre ambas para que exista un flujo de aire. Figura 1.2 Rotor Savonius 2 Debido a la resistencia al aire de este tipo de rotor, solo puede ser utilizado a bajas velocidades. Las mejores aplicaciones para este tipo de rotor son de tipo mecánico, como el bombeo de agua (Antezana Nuñez, 2004). 1.2.2.2 Darrieus Este modelo es el más popular de los aerogeneradores de eje vertical. Es creado para evitar la construcción de hélices sofisticadas como las usadas en 2 (Philips, University of Missouri, 1993) 24 los aerogeneradores de eje horizontal. Permite mayores velocidades que las del rotor Savonius. Consta de unas finas palas con forma de ala de avión simétricas, que están unidas al eje solo por los dos extremos, con una curva especial diseñada para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje, al poseer una forma parecida a una cuerda para saltar, hace que los alerones experimenten una fuerte fuerza centrífuga. Figura 1.3 Rotor Darrieus 3 Este tipo de rotor no puede arrancar por si mismo, se debe usar un sistema de arranque secundario, pero una vez en marcha es capaz de mantenerse gracias a la aerodinámica de sus palas (Antezana Nuñez, 2004). 1.2.2.3 Darrieus tipo H o Giromill Estas turbinas tienen alerones verticales de eje recto, los alerones están orientados mecánicamente con el fin de cambiar el ángulo de ataque tal como se ve en la Figura 1.4. 3 (Philips, 1993) 25 Figura 1.4 Rotor Gi rom i l l 4 1.2.2.4 Prototipo Windside Son más eficientes que las turbinas normales, pueden operar con vientos bajos desde 1m/s. están construida para trabajar en condiciones extremas. Figura 1.5 Prototipo Winds ide 5 4 (GreenTerraFirma, 2013) 5 (Howell, 2011) 26 1.3 CLASIFICACION DE LOS AEROGENERADORES EOLICOS Dada la amplia difusión de los aerogeneradores, se ha establecido la siguiente clasificación entre ellos: se conocen como aerogeneradores grandes, aquellos equipos cuya potencia eléctrica nominal por unidad se encuentra entre 500kW y algunos megavatios. Se conocen como equipos medianos aquellos cuya potencia nominal se encuentran entre 100kW y 500kW. Las turbinas pequeñas son aquellas cuya potencia se halla entre las decenas de kilovatios y los 100kW y las turbinas eólicas micro o mini, aquellas con potencia nominal inferior a 10kW (ICONTEC, GTC 172. Energía Eólica. Guia para Generación de Energía Eléctrica, 2008). 1.4 MODELOS ENERGIA EÓLICA 1.4.1 El viento y su energía La energía cinética asociada al viento: 𝐸𝑐𝑖𝑛 = 1 2 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒𝑣 2 (Ecuación 1.1)  Ecin: energía cinética del viento (J)  maire: masa del aire (kg)  v: velocidad del viento (m/s) De la (Ecuación 1.1 se define la potencia del viento como: 𝑃 = 𝑑𝐸𝑐𝑖𝑛 𝑑𝑡 = ( 1 2 ) ( 𝑑𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑡 ) 𝑣2 (Ecuación 1.2)  P: potencia del viento (W) La potencia es definida respecto a la cantidad de aire que circula por un determinado sector del espacio. La masa puede ser expresada por: 𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝜌𝑉 (Ecuación 1.3)  ρ: densidad del aire (kg/m3)  V: volumen del aire (m3) La variación de la masa en el tiempo conlleva a una variación del volumen de aire que circula por el mismo sector 27 𝑑𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑡 = 𝜌 ( 𝑑𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑡 ) (Ecuación 1.4) A su vez el flujo está definido como: 𝐹 = 𝑑𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑡 (Ecuación 1.5)  F: flujo de aire (m3/s) La variación de volumen en el tiempo se define como: 𝑑𝑉𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑡 = 𝐴𝑣 (Ecuación 1.6)  A: sección ortogonal al vector de velocidad del aire (m2) Sustituyendo la (Ecuación 1.6 en la (Ecuación 1.4 se obtiene: 𝑑𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑡 = 𝜌𝐴𝑣 (Ecuación 1.7) Luego, sustituyendo la (Ecuación 1.7 en la (Ecuación 1.2 se obtiene la ecuación que define el comportamiento de la potencia de una masa de aire que se desplaza con una cierta velocidad por unidad de superficie: 𝑃 = 1 2 𝜌𝐴𝑣3 (Ecuación 1.8)  A: superficie (m2)  ρ: densidad del aire (kg/m3)  v: velocidad del viento (m/s) La (Ecuación 1.8 expresa la potencia en función del cubo de la velocidad del viento y proporcional a la superficie de la sección. La potencia sigue un comportamiento cuadrático respecto al diámetro del aerogenerador si se considera la velocidad del viento como constante. 28 Gráfica 1.1 Potencia Vs Diám etro Del Aerogenerador 6 La Gráfica 1.1 muestra la magnitud de potencia de un aerogenerador dependiente de su diámetro. 1.4.2 Teorema De Betz El primero en estudiar científicamente los motores eólicos fue Betz, quien determinó la máxima potencia extraíble de una vena fluida. La teoría de Betz parte de suponer que la vena fluida en la corriente no perturbada de la turbina eólica posee una velocidad 𝑣1, y que en el infinito, aguas debajo de la misma, posee una velocidad 𝑣2 . En virtud del principio de conservación de la energía, es el aeromotor extrae cierta cantidad de energía de la vena, esta debe perder la misma cantidad de energía cinética. Por tanto, la velocidad 𝑣2 debe ser inferior a 𝑣1 (Universidad de Castilla - La Mancha, 2011). 6 (Antezana Nuñez, 2004) 29 Figura 1.6 Movim iento de un flu ido a través de un conducto rea l o im aginario 7 Formula de Betz Esta expresión puede ser utilizada para el pre dimensionado de una máquina eólica. 𝑃 = 0.20𝐷2𝑣1 3 (Ecuación 1.9)  D: diámetro (m)  𝑣1: velocidad no-perturbada de viento (m/s) El factor de interferencia axial (a) mide la reducción de la velocidad no- perturbada del viento cuando pasa por el disco actuador y se define por: 𝑎 = 𝑣1 − 𝑣𝑎𝑣𝑔 𝑣1 (Ecuación 1.10)  𝑣1: velocidad no-perturbada de viento (m/s)  𝑣𝑎𝑣𝑔 : velocidad del aire a través del disco actuador (m/s) En consecuencia 𝑣𝑎𝑣𝑔 = 𝑣1(1 − 𝑎) 𝑦 𝑣2 = 𝑣1(1 − 2𝑎) (Ecuación 1.11)  𝑣1: velocidad no-perturbada de viento (m/s)  𝑣2 : velocidad aguas abajo (m/s)  𝑎: factor de interferencia axial. 7 (Tesionlines, 2012) 30 Estimación de conversión de energía eólica a eléctrica Consiste en la combinación de la información del recurso eólico con el comportamiento de un equipo eólico típico. Que distingue los valores de potencia nominal, velocidad el viento y las velocidades de arranque y desconexión. El resultado del producto entre distribución de frecuencia y potencia eléctrica genera la siguiente curva (Gráfica 1.2) Gráfica 1.2 El área bajo la curva representa la cantidad de energía e léctrica entrega por aerogenerador en periodo de evaluación. (Dis eño propio) Obtenida la cantidad de energía entregada por el sistema eólico se puede encontrar el factor de planta (factor de capacidad), que es la relación entre la energía suministrada por el equipo en un tiempo T y lo que se podría generar operando el sistema a potencia nominal. 31 Gráfica 1.3 Curvas De Factor De Planta Contra Relaciones De Velocidad Nom inal Y Prom edio Para Varios Factores De Form a De Dis tribución De Weibul l 8 1.5 GENERACION ELECTRICA Se distinguen tres tipos de generadores eléctricos, que son los más usados en los aerogeneradores, cuyas características y aplicaciones son muy diferentes. En los micro y mini aerogeneradores son utilizados frecuentemente los generadores de imanes permanentes, por su parte, para los de potencia los síncronos y asíncronos son los más adecuados. La generación es trifásica por razones de rendimiento. Sin embargo en las turbinas micro y mini es conveniente rectificarla y suministrarla en corriente continua con los valores típicos de 12 y 24 voltios. 1.5.1 Devanados y campos en el generador Para generar electricidad se debe empezar con un campo magnético principal, este se puede producir por un imán permanente que puede ser parte del estator, o bien, puede ser del rotor como se muestra en la siguiente figura: 8 (ICONTEC, 2008) 32 Figura 1.7 Devanados Y Cam pos Generadores 9 Los conductores en los que se induce la electricidad, forman el devanado de armadura. En los generadores de corriente alterna para ciertas aplicaciones, el devanado de armadura está en el estator. La electricidad se genera combinando la suma de movimientos de los flujos. 1.5.2 Alternador de imanes permanentes En un alternador de imanes permanentes (PMA), los imanes están montados en el rotor o también llamada armadura. No hay ninguna conexión eléctrica a la armadura, mueve los imanes simplemente. Cada imán tiene dos polos, norte (N) y sur (S). Los imanes se orientan en el rotor para que los polos queden alternando N-S-N-S. El estator es el la otra parte que se encuentra estática. Consiste en una serie de bobinas; sobre el estator se alternan en la dirección en la que se enrollan, en el sentido de las agujas del reloj y contrario al sentido de las agujas del reloj. Las bobinas e imanes se encuentran espaciadas uniformemente entre sí. 9 (Harper, 2004) 33 Figura 1.8 Al ternador de Im anes Perm anentes 10 1.6 PARAMETROS DE DISEÑO 1.6.1 Velocidad de diseño Para calcular y dimensionar el rotor, primero se debe conocer la velocidad del viento con la cual va a trabajar el aerogenerador, ya que con esta se realizan todos los cálculos, para elegir esta velocidad se tienen en cuenta los datos del viento de la zona en la que se va a instalar el aerogenerador en este caso será Cajicá, Cundinamarca. Factores ambientales El municipio de Cajicá se encuentra en el departamento de Cundinamarca parte de la gran Cuenca Alta del río Bogotá (IDU, 2014). El municipio está ubicado en la parte central del país sobre la cordillera oriental a 2564 msnm. El paisaje predominante es el de piedemonte, lo cual genera que la dirección del viento sea hacia el Noreste, con vientos entre 3,4 y 5,4 m/s, debido a esto se observan inclinaciones leves en la vegetación de la zona. (Ideas Online, 1988) 10 (Kelly, 2014) 34 Las estadísticas históricas sobre los vientos en Cajicá existen únicamente en la estación climatológica satelital ubicada en la Universidad Militar, las cuales fueron obtenidas por medio de la CAR11 y abarcan el comportamiento anual de los vientos, dando una idea del potencial energético en dicha zona. Los siguientes datos fueron resumidos mediante WR PLOT View Freeware 7.0.0., que arrojan la siguiente frecuencia mensual: Gráfica 1 .4 Dis tribución de Frecuencia de Vientos para Enero 11 11 CAR: Corporación Autónoma Regional de Cundinamarca 35 Gráfica 1 .5 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Febrero 11 Gráfica 1.6 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Marzo 11 36 Gráfica 1.7 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Abri l 11 Gráfica 1.8 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Mayo 11 37 Gráfica 1.9 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Junio 11 Gráfica 1 .10 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Ju l io 11 38 Gráfica 1 .11 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Agos to 11 Gráfica 1.12 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Septiem bre 11 39 Gráfica 1.13 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Octubre 11 Gráfica 1.14 Dis tribución de frecuencia de Vientos para Noviem bre 11 40 Se observa una constante mensual del 51% en los vientos, con una velocidad que se encuentra entre 0,5 – 2,1 m/s, y una constante del 33,8% en los vientos con velocidad entre 2,1 – 3,6 m/s. Figura 1.9 Ros a De Los Vientos Para Es tación Univers idad Mi l i tar 12 1.6.2 Potencia nominal Para determinar el rendimiento total o nominal del aerogenerador se deben considerar las diferentes pérdidas de energía presentes en el sistema (perdidas del rotor, del generador y del multiplicador) Para el análisis se debe estimar un rendimiento mecánico 𝑛𝑚 en el que se considera para ello las pérdidas de energía que se producen en los descansos, acoplamientos y el sistema de transmisión (multiplicador), producidas por el contacto entre los elementos (roce), también se debe asumir el rendimiento eléctrico 𝑛𝑒 en la etapa de generación, junto con calcular un rendimiento del rotor se procede a determinar la potencia nominal del diseño de la turbina eólica, previo cálculo del rendimiento global del sistema eólico. El coeficiente de potencia (Cp) del rotor se halla con la siguiente gráfica: 12 (Google Maps, 2014) 41 Gráfica 1.15 Coeficiente de Potencia de Betz en Función de la Velocidad 13 Y se obtiene mediante la ecuación: 𝑛𝐼 = 𝑛𝑚 𝑛𝑒𝐶𝑝 (Ecuación 1.12)  𝑛𝑚 : Eficiencia mecánica.  𝑛𝑒: Eficiencia sistema eléctrico.  𝐶𝑝: Coeficiente de potencia. Por lo tanto, se tiene que la potencia nominal es: 𝑃𝑛𝑠 = 𝑃ú𝑡𝑖𝑙 𝑛𝐼 (Ecuación 1.13) Conociendo la potencia de diseño y junto con los datos obtenidos de la evaluación eólica, se determinan los parámetros de la turbina. 1.6.3 Diseño del rotor 13 (Hau., Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics, 2006) 42 Una vez determinada la potencia de diseño y la velocidad nominal, se determina el tamaño del rotor, se establecen los parámetros geométricos y de operación. Se determina la densidad del aire mediante la ecuación: 𝜌 = 𝑃 𝑅 ∗ 𝑇 (Ecuación 1.14)  𝑃: Presión (Pa)  𝑅: Constante especifica de los gases ( 𝐽 𝑘𝑔∗°𝐾 = 287.05)  𝑇: temperatura (°K=°C+273.15) La potencia del viento se halla mediante la ecuación: 𝑃𝑣 = 1 2 𝐴𝜌𝑣3 (Ecuación 1.15)  𝐴: Área del rotor (m2)  𝜌: Densidad (kg/m3)  𝑣: velocidad (m) La potencia del aerogenerador depende del coeficiente de potencia de este y la ecuación queda de la siguiente forma: 𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔 = 𝐶𝑝𝑃𝑣 (Ecuación 1.16)  𝐶𝑝: Coeficiente de potencia.  𝑃𝑣: Potencia del viento 𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔 = 𝐶𝑝 1 2 𝐴𝜌𝑣3 (Ecuación 1.17) Y la potencia final depende de los rendimientos tanto del generador eléctrico como del sistema de transmisión, por lo que la expresión de la potencia eléctrica queda de la siguiente forma: 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 = 𝜂𝑚 𝜂𝑒𝑃𝑎𝑒𝑟𝑜𝑔 (Ecuación 1.18)  𝑛𝑚 : Eficiencia mecánica.  𝑛𝑒: Eficiencia sistema eléctrico. 43 𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 = 𝜂𝑚 𝜂𝑒𝐶𝑝 1 2 𝐴𝜌𝑣3 (Ecuación 1.19) Por lo que el área necesaria para producir esa potencia está dada por la ecuación: 𝐴 = 2𝑃𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡 𝜂𝑚 𝜂𝑒𝐶𝑝𝐴𝜌𝑣 3 (Ecuación 1.20) 1.6.4 Diseño de los alabes Se toma como referencia el modelo de Lenz2 para el diseño de los alabes, el cual está basado en el modelo Savonius. El modelo de Lenz2 se basa en el efecto Venturi el cual se explica por el Principio de Bernoulli, consiste en que un fluido en movimiento cuando pasa por un estrechamiento su velocidad aumenta y su presión disminuye. (Mosca, 2005) Figura 1.10 Efecto Venturi 14 Se habla de este efecto ya que el ala se ayuda de este para generar con la diferencia de presiones la sustentación, el aire como fluido genera rozamiento y tiene viscosidad y el aire tiende a ir con la forma del objeto que se encuentre, el ala se diseña de tal manera que una parte del aire que se cruza con ella se acelere y otro mantenga su velocidad, así se consigue la diferencia de 14 (AviacionD, 2011) 44 velocidad y por consiguiente de presión que se demostraba en el efecto Venturi. Figura 1 .11 Efecto Venturi En Un Ala 15 La Figura 1.11 muestra cómo se divide el aire en dos, el aire que pasa por debajo mantiene la velocidad que tenía el flujo del aire y el aire que pasa por encima debido al efecto de la viscosidad se pega a la parte de arriba, acelera su velocidad y crea una baja presión, el aire que pasa por debajo al tener más presión que el aire que pasa por encima crea una fuerza hacia arriba denominada sustentación. Las líneas paralelas al alabe son la representación del aire y a esto se le llama aire rectilíneo y es lo que se necesita para crear la sustentación. Hugh Piggott y Lenz se ayudan con el rotor tipo Darrieus para realizar el modelado y llegar a las ecuaciones que permiten hallar los ángulos de los alabes y se muestra a continuación junto con el diseño. 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑎 = 𝐷 ∗ 0.14 (Ecuación 1.21) 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 = 𝐶 ∗ 0.09 (Ecuación 1.22) 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝐷 ∗ 0.28 (Ecuación 1.23)  D= diámetro (m)  C= circunferencia (m) 15 (AviacionD, 2011) 45 Figura 1.12 Rotor Tipo Lenz2 1.6.5 Diseño del eje El eje es un componente muy importante ya que es el que soporta las cargas transmitidas por los alabes y las ruedas, está sometido a flexión con carga dinámica como consecuencia de la acción del viento. Las cargas aerodinámicas transmitidas desde las ruedas al eje es conveniente que estén soportadas en dos puntos y el eje este apoyado en la estructura en dos puntos. Se considera el eje como una viga que se encuentra apoyada en dos puntos, la fuerza del viento se considera como una carga repartida a lo largo de la longitud del eje donde se encuentran las ruedas del rotor. 46 Figura 1.13 Viga apoyada en dos puntos 1.6.6 Selección de la transmisión Las correas son elementos de transmisión de potencia, basan su funcionamiento en las fuerzas de fricción. Este sistema es un conjunto de dos poleas, situadas a cierta distancia, acopladas por medio de una correa. Según el tamaño de las poleas existen dos tipos: Sistema reductor de velocidad y sistema multiplicador de velocidad. Figura 1.14 Sis tem a de Poleas Para el aerogenerador se utiliza un sistema multiplicador de velocidad, en el cual la polea de salida (conducida) gira a mayor velocidad que la polea de entrada (motriz). La relación entre ambas poleas se define de la siguiente manera: 47 𝑖 = 𝑛2 𝑛1 = 𝐷1 𝐷2 (Ecuación 1.24)  𝑛2: velocidad de la polea conducida  𝑛1: velocidad de la polea motriz  𝐷1: diámetro de la polea motriz  𝐷2: diámetro de la polea conducida 1.6.7 Diseño del generador Debido a que los alternadores de carro necesitan altas velocidades para generar el voltaje necesario para cargar una batería y en Colombia no se consiguen los generadores que se utilizan en este tipo de máquinas, se decide diseñar un generador modificando un alternador en desuso y así disminuir costos, en este caso se va a diseñar un generador de imanes. Se debe tener en cuenta las especificaciones del alternador y las pérdidas generadas por el multiplicador para escoger el tipo de imanes a utilizar. El objetivo es igualar o aumentar el flujo magnético hacia el estator, por lo cual se deben reemplazar las bobinas del rotor por el tipo de imanes escogidos. Se pretende con esto que el sistema entregue energía desde que inicie la velocidad, evitando tomar energía de este para alimentar con corriente directa los devanados del campo del rotor. Con las características de los imanes se determina la energía magnetostática máxima que los imanes entregaran. La energía existente en un campo magnético Em (J) está definida por 𝐸𝑚 = 1 2 (𝐵 ∗ 𝐻)𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝑉 ∗ 𝑁 (Ecuación 1.25)  B= Campo magnético (G)  H= Intensidad del campo magnético (O)  V= Volumen de un imán (m3)  N= Numero de imanes  (B*H)max= producto de máxima energía (MGO) La potencia eléctrica máxima resulta del producto entre la energía magnética máxima y la velocidad angular a la cual se encuentra girando 𝑃𝐸𝑙𝑒𝑐𝑀𝑎𝑥 = 𝐸𝑚 ∗ 𝜔 (Ecuación 1.26) 48  Em = Energía magnética máxima (J)  𝜔 = velocidad angular (rad/s) Modificación del rotor Se debe desarmar el rotor, sacar la bobina y el núcleo, acoplar los imanes en el espacio que ocupaba la bobina Diseño y construcción del estator También se debe modificar el estator para mejorar el rendimiento del generador y que los imanes trabajen correctamente con el flujo magnético que se obtiene de las bobinas. Se debe definir el número de espiras por bobina con el nuevo calibre de alambre a utilizar, para calcular este número se tiene el diámetro y numero de espiras del anterior alambre. Se halla el área con la siguiente ecuación 𝐴𝐴 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 (Ecuación 1.27)  AA=Área del alambre (mm) Para hallar el área total, teniendo en cuenta el número de espiras se utiliza la siguiente ecuación 𝐴𝑇 = 𝐴𝐴 ∗ 𝑁 (Ecuación 1.28)  N= número de espiras Para determinar el voltaje que se va a obtener, primero se halla el flujo magnético, donde: 𝐸𝐴 = 𝐾 ∗ 𝜑 ∗ 𝜔 (Ecuación 1.29)  K=constante que representa la construcción de la máquina que es igual a Nc numero de espiras  𝜑= flujo magnético (webers)  𝜔= velocidad angular deseada (rad/seg) Se tiene que: 𝜑 = 𝐴 ∗ 𝐵 (Ecuación 1.30)  A= Área total de las espiras (m2)  B= Campo magnético (T) 49 Se reemplaza la (Ecuación 1.30) en la (Ecuación 1.29) y se obtiene 𝐵 = 𝐸𝑚𝑎𝑥 𝑁𝑐 ∗ 𝐴 ∗ 𝜔 (Ecuación 1.31)  Emax= voltaje generado por una fase. 50 CAPITULO 2. ESTADO DEL ARTE La energía del viento ha sido aprovechada por el ser humano desde las primeras civilizaciones, se ha podido comprobar que el uso de esta con fines energéticos se remonta por lo menos 3000 años antes de la era cristiana, principalmente utilizada para la navegación, otro tipo de actividades como los molinos para la molienda de grano (Subsecretaria de Energía Eléctrica, 2008). Durante la Edad Media se emplearon para mover maquinarias de diferentes industrias como la textil, maderera, metalúrgica. Estos primeros molinos basaban su diseño en la rotación de un eje colocado en forma vertical. En el siglo XIX en Holanda se modificó esa tecnología comenzaron a utilizarse máquinas de eje horizontal y de cuatro palas, muy similares en aspecto a los que acostumbramos ver hoy en día. A mediados del siglo pasado en Dinamarca se comenzó a utilizar la turbina de viento para generar electricidad y se extendió en el mundo entero. En las regiones áridas del oeste de Estados Unidos se emplearon molinos para el bombeo de agua a gran escala. Desde 1958 hasta 1966 en Francia, EEUU y Dinamarca se construyeron y operaron varias máquinas que generaban una potencia superior a 1000Kw, ya que era una tecnología nueva enfrentaban problemas que para la época resultaban prácticamente insolubles y por lo tanto terminó en un verdadero fracaso llevando a creer que dicha tecnología no tuviera futuro como oferta energética valida. Por otra parte en esta época el precio del combustible era excesivamente bajo y no tenía alguna competencia en el mercado. Se buscaban soluciones alternativas, debido a la crisis energética que generaba la emisión de gases de efecto invernadero. Esa situación llevó a la investigación y desarrollo de nuevos proyectos, con los cuales hubo una mejora en las tecnologías de aprovechamiento, comenzando en 1979 con la producción en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kurian, Vestas, Nordtank y Bonus. Aquellas turbinas tenían capacidades de 20 a 30 KW. Desde entonces la producción se ha expandido a muchos países (Subsecretaria de Energía Eléctrica, 2008). 51 Capacidad de energía eólica instalada en el mundo Posición País Capacidad Total Instalada 2010 (MW) Capacidad Adicional 2010 (MW) Tasa de Crecimiento 2010(%) 1 China 44.733,0 18.928,0 73,3 2 Estados Unidos 40.180,0 5.600,0 15,9 3 Alemania 27.215,0 1.551,0 6,0 4 España 20.676,0 1.527,2 8,0 5 India 13.065,8 1.258,8 10,7 6 Italia 5797,0 950,0 19,6 7 Francia 5.660,0 1.036,0 23,7 8 Reino Unido 5.203,8 1.111,8 27,2 9 Canada 4.008,0 690,0 20,8 10 Dinamarca 3.137,0 309,0 8,9 11 Portugal 3.702,0 345,0 10,3 12 Japon 2.304,0 211,0 10,1 13 Holanda 2.237,0 15,0 0,7 35 Chile 170,0 2,6 1,5 43 Argentina 54,0 25,3 28,2 55 Colombia 20,0 0,0 0,0 Total Mundo 196.629,7 37.642,0 23,56 Tabla 2.1 Reporte anual de la energía eó l ica en e l m undo 2010 16 16 (Asociación Mundial de Energía Eólica, 2011) 52 Gráfica 2.1 Capacidad Tota l Ins ta lada Energía Eól ica En El Mundo 1997 -2010 17 Puntualmente hablando de la energía eólica en nuestro país se empezó a usar a principios del S. XX como fuente motriz de bombeo de agua con los sistemas comúnmente denominados “Multipala Estilo Americano” principalmente para uso agrícola. Durante la década de los veinte en que llegaron las primeras bombas hasta los años 70 en que la Universidad de los Andes con apoyo de las Naciones Unidas crearon el “Molino de Viento Tropical de Doble Efecto La Gaviota”, tecnología que fue adaptada y justificada a nivel comercial en el modelo “El Gavilán” que según el fabricante se hicieron 132 de estos molinos cuyas características eran su fácil construcción y bajo costo. Luego del modelo “Gavilán” aparece el “Jober” de industrias Jober que consistía en un rotor de 10 palas y 2,5m. de diámetro. Desde aquella época la empresa ha crecido exportando a otros países vecinos e innovando hasta hoy en día en que han incluido un reductor de velocidad en la transmisión de movimiento, rotores y palas de mayor diámetro para el bombeo de agua en La Guajira donde la velocidad del viento es alta y el recurso hídrico potable bajo (Escobar, 2009). En la energía eólica utilizada para la obtención de energía eléctrica en los años comprendidos entre 1980 y 1983 la compañía Energía Andina ofertaba un diseño de origen alemán que combinaba los anillos de captación del viento y la conexión 17 (Asociación Mundial de Energía Eólica, 2011) 53 directa entre el eje del rotor y el generador eléctrico sin el requerimiento de una caja aumentadora. A nivel académico, los primeros pasos para crear un sistema de obtención de energía eléctrica bajo la dirección del profesor Julio Mario Rodríguez, no logro llevarse a cabo con éxito por la falta de apoyo económico. Durante ese proyecto se creó (en planos) el primer prototipo del equipo PROMIX de producción mixta y se logró plantear el aerogenerador PROEL. Actualmente, la Universidad de los Andes trabaja en diseños de palas teniendo en cuenta la aeroforma y tipo de materiales (Escobar, 2009). La potencialidad de este recurso en el país se ha enfocado en la zona caribe del territorio especialmente en la Guajira esperando 20MW en un terreno de un kilómetro cuadrado generando un total de 85GWh/km. Sin embargo, entidades como el IDEAM han visto potencial en los departamentos de Boyacá, Cauca, Santander y el Huila pero aún se deben estudiar las capacidades para generar este tipo de energía (Escobar, 2009). Tipos de aerogeneradores Para la generación de energía eólica son utilizados comúnmente los aerogeneradores Horizontales. Para que dichas máquinas sean rentables son agrupadas y distribuidas para así verter energía eléctrica a la red. Estos son conocidos como parques eólicos. Las primeras realizaciones importantes se llevaron a cabo en Estados Unidos por Marcellus y Jacobs. En el periodo anterior a la guerra aparecieron otros generadores de pequeña potencia. A través del tiempo se desarrollaron varios prototipos hasta llegar a los diseños que son utilizados actualmente, y son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al suelo, tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores o motorreductores (Antezana Nuñez, 2004). 54 Figura 2.1 Fotografía Marcel lus y Jacobs aerogenerador 18 Figura 2.2 Parque Eól ico Offs hore Thornton Bank 19 18 (Marcellus & Jacobs, s.f.) 19 (Eléctrico, 2012) 55 Figura 2.3 Aerogenerador Enercon E-126 Del Viento Es tinnes , Bélg ica Los aerogeneradores de eje vertical aumentan cada día su importancia en el parque energético de los países europeos. Son utilizados para trabajar junto con otros sistemas energéticos portátiles como las celdas solares o celdas de combustible. Tienen la gran ventaja de adaptarse a cualquier dirección de viento (Antezana Nuñez, 2004). A continuación se muestran los diferentes tipos de aerogeneradores verticales: 56 Figura 2.4 Aerogenerador Darrieus 20 Figura 2.5 Aerogenerador Savonius 21 20 (Torelló, Planeta Neutro, 2009) 21 (Torelló, Planeta Neutro, 2009) 57 Figura 2 .6 Aerogenerador Prototipo Winds ide 22 22 (OPEX energy, 2014) 58 CAPITULO 3. CALCULOS Para el diseño del prototipo se realizan los cálculos necesarios para dimensionar todos los elementos que componen la máquina final. Cada uno de los sistemas serán tratados a lo largo de este capítulo. El prototipo a diseñar y los cálculos cumplirán con el objetivo de construir una turbina que consta de un rotor de eje vertical denominado rotor tipo Lenz II, que tendrá una potencia de 40W a la velocidad de diseño para así suministrar energía a un hogar. 3.1 VELOCIDAD DE DISEÑO La velocidad de diseño del aerogenerador es de 6m/s 3.2 POTENCIA NOMINAL Se consideran las diferentes pérdidas de energía presentes en el sistema:  Rendimiento mecánico: Se estima un 90% por pérdida en la transmisión y rozamiento en los cojinetes.  Rendimiento eléctrico: Se consideran Pérdidas en el transformador, conversión, cable. etc. Se considera un 85% de rendimiento en éstos factores.  Coeficiente de Potencia: Dado por el coeficiente de Betz. Mediante la Gráfica 1.15 del capítulo 1 se halla el coeficiente de potencia: 𝐶𝑝 = 0.35 Para hallar la eficiencia total se reemplaza en la (Ecuación 1.12 y se obtiene: 𝑛𝐼 = 0.9 ∗ 0.85 ∗ 0.35 𝑛𝐼 = 0.26775 ≈ 0.27 Se desea que la potencia nominal que entregue la turbina eólica sea: Putil = 40W Se reemplaza en la (Ecuación 1.13 y se obtiene la potencia nominal 59 𝑃𝑛𝑠 = 40 0.27 = 148.14 𝑊 3.2 DISEÑO DEL ROTOR Una vez determinada la potencia de diseño y la velocidad nominal, se determina el tamaño, se establecen los parámetros geométricos y de operación. Para obtener la densidad del aire en Bogotá, se reemplaza en la (Ecuación 1.14 𝜌 = 99325.16 287.05 ∗ 287.15 𝜌 = 1.2 𝑘𝑔 𝑚3 Se halla el área necesaria para producir la potencia eléctrica reemplazando en la (Ecuación 1.20 𝑛𝑚 = 0.9 𝑛𝑒 = 0.85 𝐶𝑝 = 0.35 𝜌 = 1.2 𝑘𝑔 𝑚3 Pelect = 40W 𝑣 = 6 𝑚 𝑠2 𝐴 = 2(40) (0.9)(0.85)(0.35)(1.2)(6)3 𝐴 = 1.15 𝑚2 Teniendo el área del rotor se halla la potencia del viento reemplazando en la (Ecuación 1.15 𝑃𝑣 = 1 2 (1.15)(1.2)(63) 𝑃𝑣 = 149.04 𝑊 60 3.3 DISEÑO DE LOS ALABES Reemplazando en las (Ecuación 1.21), (Ecuación 1.22 y (Ecuación 1.23 respectivamente, se obtiene, 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑎 = 0.73 ∗ 0.14 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑙𝑎 = 0.1022 𝑚 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 = 2.29 ∗ 0.09 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 = 0.20 𝑚 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 0.73 ∗ 0.28 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 0.2044 𝑚 3.3 DISEÑO DEL EJE El eje principal sirve de unión entre el rotor del aerogenerador, formado por las palas y las tapas, y el sistema de transmisión. Dicho eje está atornillado mediante una chapa de acero a la tapa circular inferior para que giren conjuntamente. Además, se encuentra apoyado mediante un rodamiento axial a la estructura de sujeción, consiguiendo de esta forma que el eje se encuentre en voladizo y facilitando así las labores de mantenimiento de éste y sus componentes. La parte inferior del eje está unida a la polea grande del sistema de transmisión mediante unas caras planas. Para el diseño del eje, este se considera como una viga que se encuentra apoyada en dos puntos y que está sometida flexión, como consecuencia de la acción del viento. La velocidad de diseño es de 600 rpm y la potencia para esta velocidad es de 40W (0.0536 HP). Para el diseño típico de ejes se usa el factor de diseño N=2, donde hay una confianza promedio en los datos de resistencia del material y las cargas. Se desea usar acero 1020 laminado en caliente, en la siguiente tabla se encuentran las propiedades de este tipo de acero, 61 Tabla 3.1 Propiedades De Dis eño Para Los Aceros Al Carbón Y Aleados 23 Para acero laminado en caliente se escoge resistencia a la fatiga Sn=20 ksi de acuerdo a la siguiente gráfica, Gráfica 3 .1 Resistencia A La Fatiga Sn En Funcion De La Resistencia A La Tens ion, Para Acero Forjado Con Varias Condiciones De Superficie 23 Se quiere una confiabilidad de 0.99 por lo que CR=0.81 23 (Mott, 2006) 62 Tabla 3 .2 Factores De Confiab l idad Aproxim ados C R 23 Aunque no se conoce el tamaño real todavía, de acuerdo a la siguiente grafica se selecciona el factor por tamaño Cs=0.88 como estimación, Gráfica 3 .2 Factor Por Tam año 23 La resistencia a la fatiga Sn’ modificada está dada por: 𝑆𝑛′ = 𝑆𝑛 ∗ 𝐶𝑠 ∗ 𝐶𝑅 (Ecuación 3.1)  Sn: Resistencia a la fatiga (psi) 63  Cs: Factor por tamaño  CR: Factor de confiabilidad Se reemplazan los valores en la (Ecuación 3.1 y se obtiene, 𝑆𝑛′ = 20000 ∗ 0.88 ∗ 0.81 𝑆𝑛′ = 14256 𝑝𝑠𝑖 Se calcula el par torsional en el eje con la ecuación: 𝑇 = 63000 𝑃 𝑛 (ECUACIÓN 3.2)  P: Potencia (HP)  n: velocidad de diseño (rpm) Se reemplaza en la (Ecuación 3.2, 𝑇 = 63000 ∗ 0.0536 600 𝑇 = 5.628 𝑙𝑏 𝑝𝑢𝑙𝑔 La fuerza del viento se considera como una carga repartida a lo largo de la longitud del eje donde se encuentran los alabes del rotor, esta carga se divide en dos partes iguales ya que los alabes tienen una soporte en la mitad, esta queda repartida uniformemente en cada parte que mide 0,47 m, por lo tanto se tiene que: 𝑤1 = 𝑤2 = 𝑤 𝐹𝑣 = 0,47 ∗ 𝑤 = 𝑃𝑣𝐴 𝐹𝑣 = 149.04 ∗ 1.15 𝐹𝑣 = 171.396 𝑁 Se despeja w, y se obtiene: 𝑤 = 𝐹𝑣 0,47 𝑤 = 364.6723 𝑁 𝑚 64 Figura 3.1 Diagram a de Fuerzas del Eje (Dis eño En MDSol ids ) Se hace el análisis de fuerzas del diagrama y se obtiene: 𝑅𝐴 + 𝑅𝐵 = 𝑤(0,47) + 𝑤(0,47) 1,1𝑅𝐵 = 𝑤(0,47)(3,5 + 2 + 47 2 ) + 𝑤(0,47) (3,5 + 2 + 47 + 2 + 47 2 ) Despejando se obtiene que: 𝑅𝐴 = 176,0704 𝑁 65 𝑅𝐵 = 166,72 𝑁 Mediante MDSolids se obtiene el diagrama de fuerzas cortantes y el de momento flector. Figura 3.2 Diagram a de fuerzas cortantes y m om ento flector El momento flector máximo tiene un valor de 52,28 N.m (462.72 lb*pulg) Se utiliza la siguiente ecuación para el diseño de ejes: 𝐷 = ( 32 ∗ 𝑁 𝜋 √( 𝐾 ∗ 𝑀 𝑆𝑛′ ) 2 + 3 4 ( 𝑇 𝑆𝑦 ) 2 ) 1 3 (Ecuación 3.3)  N: Factor de seguridad 66  M: Momento flector (lb*pulg)  Sn’: Resistencia a la fatiga modificada (psi)  T: Par torsional (lb/pulg)  Sy: Resistencia a la fluencia (psi) El eje debe tener una ranura con chaflán para asegurar la polea, donde K=1, se reemplaza en la (Ecuación 3.3, 𝐷 = ( 32 ∗ 2 𝜋 √( 1 ∗ 462.72 14256 ) 2 + 3 4 ( 5,63 30000 ) 2 ) 1 3 𝐷 = 0.87 𝑝𝑢𝑙𝑔 El eje debe tener un diámetro mínimo de 0.87 pulg, por lo que se decide utilizar un eje de 1 pulg. 3.4 SELECCIÓN DE LA TRANSMISION Para el aerogenerador se utiliza un sistema multiplicador de velocidad, en el cual la polea de salida (conducida) gira a mayor velocidad que la polea de entrada (motriz). Figura 3 .3 Sis tem a De Poleas La polea conducida tiene 6 cm de diámetro y la polea motriz 50 cm. Se reemplaza en la (Ecuación 1.24) para hallar la relación entre ambas poleas, la polea de mayor diámetro es de 500mm y la de menor diámetro es de 6mm 𝑖 = 500 6 = 8 67 La relación de la transmisión es de 8, y se utilizó una correa en “V” tipo A, ya que esta permite un rango más grande de velocidades y mejor resistencia al giro mientras se enlaza de una velocidad a otra. 3.5 DISEÑO DEL GENERADOR El alternador a utilizar es marca Delco Remy 12V, 63A a 3600 rpm, teniendo en cuenta las pérdidas del multiplicador se opta por construir un generador de imanes permanentes. Se decide usar imanes de neodimio tipo anillo, Las características del imán de Neodimio utilizado se muestran en la siguiente tabla: Modelo Energía máx. (KJ/m3) Diámetro externo (mm) Diámetro interno (mm) Espesor (mm) Temperatura máxima (°C) NMH 319 302.3 a 318.3 78 57 10 80 Tabla 3.3 Caracterís ticas del Im án Se reemplaza en la (Ecuación 1.25) para obtener la energía existente en el campo magnético 𝐸𝑚 = 1 2 (302300 𝐽 𝑚3 ) ∗ ( 𝜋 4 ∗ 0.01 ∗ (0.0782 − 0.0572)) 𝑚3 ∗ 3 𝐸𝑚 = 10.097 𝐽 Se reemplazan diferentes valores de velocidad en la (Ecuación 1.26) para obtener la potencia eléctrica máxima 𝑃𝐸𝑙𝑒𝑐𝑀𝑎𝑥 = 𝐸𝑚 ∗ 𝜔 La siguiente tabla muestra la máxima potencia con respecto a la velocidad Vel (RPM) P. Eléctrica Máxima (W) 100 105.735 200 211.470 300 317.205 400 422.940 500 528.675 600 634.410 68 700 740.145 800 845.88 900 951.615 1000 1057.350 Tabla 3 .4 Potencia con res pecto a la ve locidad 3.5.1 Modificación del rotor Se desarma el alternador identificando cada una de sus partes, se desarma el rotor para sacar la bobina y el núcleo, para así poder insertar los imanes, se opta por utilizar imanes de neodimio como se muestra en la Figura 3.4 Figura 3 .4 Im án de Neodim io Se acoplan los imanes al eje, donde se encontraba el espacio que estaba ocupado por la bobina del campo, se ubican los imanes de tal manera que se obtenga un polo norte y un polo sur respectivamente. 69 Figura 3.5 Modi ficación del Rotor 3.5.2 Diseño y construcción del estator Para el estator se construyó una corona de 24V utilizando alambre de cobre esmaltado calibre 16. Con el fin de calcular el número de espiras se parte del diámetro y el número de espiras del anterior alambre, haciendo que de esta manera se aumente su calibre. 70 Figura 3.6 Dis eño Del Es tator Se tiene que el diámetro original del alambre es calibre 14 el diámetro es de 1.732 mm, se halla el área del estator mediante la (Ecuación 1.27) 𝑠𝑖 𝑟 = D 2 = 0.866 𝑚𝑚 Entonces 𝐴𝐴 = 2.356 𝑚𝑚 2 Si son 5 espiras por bobina, el área total se obtiene reemplazando en la (Ecuación 1.28) 𝐴𝑇 = 12.27 𝑚𝑚 2 Obteniendo estos datos se calcula el número máximo de espiras con el nuevo calibre a utilizar. Se tiene magneto calibre 0.912 mm, entonces para encontrar el número de espiras máximo se tiene que: 𝑟 = D 2 = 0.456 𝑚𝑚 Entonces 𝐴𝐴2 = 0.6532 𝑚𝑚 2 Despejando N espiras de la (Ecuación 1.28) 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 12.27𝑚𝑚2 0.6532 𝑚𝑚2 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 18.78 ≅ 19 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 𝑏𝑜𝑟 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎. Para hallar el flujo magnético se utiliza la (Ecuación 1.29, donde 𝐸𝐴 = 𝐾 ∗ 𝜑 ∗ 𝜔 K= NC es igual a 35, como son 5 espiras por 7 bobinas por fase. Para hallar B que es campo magnético medido en Teslas (T), se sustituye la ecuación (Ecuación 1.30) en la (ECUACIÓN 1.28), y despejando B se obtiene: 71 𝐵 = 𝐸𝑚𝑎𝑥 𝑁𝑐 ∗ 𝐴 ∗ 𝜔 Donde 𝐸𝑚𝑎𝑥 es igual a 7.75Vpico que es el voltaje generado por una fase y se obtiene: 𝐵 = 0.59 𝑇𝑒𝑠𝑙𝑎𝑠 Se reemplaza en la (Ecuación 1.30) para hallar el flujo magnético, 𝜑 = 0.0006938 webers Una vez obtenidos todos los datos, se calcula el voltaje que puede generar a 100rpm que es igual a 10.472rad/s, sustituyendo los datos en la (Ecuación 1.29) 𝐸𝐴 = (19 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 ∗ 7 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎𝑠) ∗ 0.0006938wb ∗ 10.472 rad/s En la siguiente tabla se muestra el voltaje a diferentes velocidades con el nuevo calibre en el estator del alternador Vel (RPM) Energía máxima por bobina (Vpico) 100 0,96630799 200 1,92855586 300 2,89837031 400 3,85711172 500 4,82600342 600 5,79766338 700 7,72345098 800 8,6960337 900 9,66123438 1000 10,6292033 Tabla 3 .5 . Vol ta je generado con e l nuevo ca l ibre 72 CAPITULO 4. DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL AEROGENERADOR VERTICAL En esta fase se muestran los diseños que se han fijado de acuerdo a los parámetros calculados para el correcto aprovechamiento energético. De esta manera se obtuvieron los siguientes resultados. 4.1 DISEÑO MECANICO 4.1.1 Rotor El rotor de la turbina eólica es el encargado de convertir en energía eléctrica la energía cinética que incide sobre este, es uno de los componentes más importantes para transformar energía. Figura 4.1 Des arro l lo CAD del Rotor En SOLIDWORKS 73 Figura 4 .2 . Des arro l lo CAD del Rotor en SOLIDWORKS 4.1.2 Eje En el eje se encuentran acopladas las palas o alabes y el sistema de transmisión por lo tanto es el que soporta las cargas transmitidas por estas, el eje se ve sometido a efectos de flexión con carga dinámica. Anexo 4.1: Planos Eje SOLIDWORKS 4.1.3 Ruedas Para darle mayor rigidez a la máquina, se diseñaron dos ruedas en platina de hierro, cada una tiene tres palas distribuidas a 120 grados que sirven como guía para ubicar los alabes que se acomoden al diseño de una turbina de eje vertical. Anexo 4.2 Planos Rueda SOLIDWORKS 74 Figura 4.3 Des arro l lo CAD de las Ruedas en SOLIDWORKS 4.1.4 Chumaceras Se utilizaron dos chumaceras en la estructura para la sujeción del eje Figura 4.4 Chum acera 75 4.1.5 Alabes Los alabes fueron construidos según el diseño de Lenz mencionado en el capítulo 3.3, los materiales usados fueron aluminio y madera para que quedaran más livianas y así fueran más aerodinámicas con la rotación del viento. Figura 4 .5 Des arro l lo CAD de la Bas e de los Alabes en SOLIDWORKS Anexo 4.3 Planos Molde Alabes SOLIDWORKS Figura 4.6 Ens am bla je de la Bas e con los L is tones en SOLIDWORKS 76 Figura 4.7 Ens am bla je Com pleto de los Alabes en SOLIDWORKS Anexo 4.4 p lanos l istones SOLIDWORKS Anexo 4.5 Planos a luminio a labe SOLIDWORKS Anexo 4.6 Planos a labes SOLIDWORKS 4.1.6 Estructura Se utilizó una estructura en forma de marco, la cual soporta fuerzas y las transmite a puntos donde se apoya con el fin de tener una máquina resistente y estable. Para la estructura se utilizó aluminio ya que permite la facilidad de movilidad ya que es un material liviano, su función es la de soportar el eje, así como el peso de todos los componentes, el rotor, los alabes, la transmisión, esto permite que el eje se encuentre en voladizo y sujeta la parte superior de la máquina, y cuando la fuerza del viento sea muy grande disminuye el esfuerzo por flexión. La estructura de sujeción tiene unas dimensiones de 1200mm x 1700mm Anexo 4.7 Planos estructura 1 SOLIDWORKS Anexo 4.8 Planos estructura 2 SOLIDWORKS 77 Figura 4.8 Des arro l lo CAD de la Es tructura en SOLIDWORKS Figura 4.9 Des arro l lo CAD de la Es tructura en SOLIDWORKS 78 4.1.7 Transmisión Se diseñó un sistema de transmisión con poleas y correas. Este sistema se diseñó ya que la máquina va a estar sometida a velocidades de viento muy bajas y no va a proporcionar las vueltas necesarias para que el alternador gire a una velocidad adecuada y genere la potencia requerida. 4.1.8 Ensamble. El ensamble final en SOLIDWORKS Figura 4.10 Ens am ble del aerogenerador en SOLIDWORKS Anexo 4.9 Planos Ensambla je SOLIDWORKS Anexo 4.10 Explosionado SOLIDWORKS 79 4.2 DISEÑO ELECTRONICO Debido a que el alternador es un generador de corriente alterna, y va conectado a una batería de 12 V DC la cual es la encargada de almacenar energía, se diseñó un rectificador para transformar esta corriente en continua. El alternador va conectado a una batería de 12 V DC, por lo cual se diseñó un inversor para convertir el voltaje de la batería de 12 V DC a 120 V AC. 4.2.1 Rectificador Consiste en cuatro diodos comunes de uso general, que convierten una señal con partes positivas y negativas en una señal únicamente positiva. Un simple diodo permitiría quedarse con la parte positiva, pero el puente permite aprovechar también la parte negativa. El puente, junto con un condensador de rizado y un diodo zener, para limitar la tensión, permite convertir la corriente alterna en continua. El papel de los cuatro diodos comunes es hacer que la electricidad vaya en un solo sentido, mientras que el resto de componentes tienen como función estabilizar la señal. Figura 4.11 Ci rcu i to Recti ficador de Onda Com pleta 4.2.2 Inversor Se diseñó un circuito para convertir 12 VDC a 120 VAC con ajuste preciso para la frecuencia de salida, la cual puede ser de 50 Hz o de 60 Hz. La forma de 80 onda de salida es cuadrada. Puede excitar 4 BJT del tipo 2SC 3858 para armar un convertidor de hasta 500 W. Figura 4 .12 Ci rcu i to Invers or Figura 4.13 Dis eño En 3d Del Ci rcu i to Invers or 81 El circuito trae un oscilador con salidas complementadas para actuar alternativamente sobre los switches electrónicos de potencia que en este caso son los BJT de salida. Se utiliza el CD4047 con este fin ya que oscila y trae la opción de salidas complementadas. El circuito incorpora un diodo de protección contra inversión de polaridad y un regulador de 9 VDC para estabilidad del integrado oscilador. Cuando se alimenta el circuito, oscila a la frecuencia de 50 Hz aproximadamente con el potenciómetro en su posición central, y si deseamos modificar este valor podemos hacerlo con la ayuda del cursor del potenciómetro de 50 K. Luego los pulsos complementados se aplican a una interface en base a bjt en cascada, uno por cada tap del transformador, logrando aplicar alternadamente los 12 V de la batería y produciendo una salida en el secundario del transformador, la cual puede ser de 120 V o 220V o cualquier valor que queramos. 4.2.3 Medidor carga de batería Se diseñó un circuito para medir el nivel de carga de la batería el cual consta de cuatro comparadores de voltaje. Cada comparador posee una entrada positiva y una negativa, el voltaje a la salida es igual al voltaje de la fuente de alimentación, mientras el voltaje en la entrada positiva supera al voltaje en la entrada negativa, cuando esta condición se invierte, el voltaje de salida es igual a 0V. Cuando la batería se encuentra totalmente cargada tiene un voltaje de salida de 12,7V y a medida que esta se usa, el voltaje disminuye y cuando se encuentra descargada su voltaje de salida es de 11,7V. Cuando la batería está cargada, el voltaje presente en la salida negativa de los comparadores es mayor a 5V, por lo tanto la salida de los comparadores es de 0V, lo que hace que la corriente que circula por cada led los haga iluminarse. A medida que el voltaje de la batería disminuye, también disminuye el voltaje en las entradas negativas y cuando es menor a 5V los leds conectados a los comparadores se van apagando. 82 Figura 4.14 Ci rcu i to para m edi r e l n ive l de carga de la Batería Figura 4.15 Dis eño en 3D del Ci rcu i to de Nive l de Carga 83 4.3 DISEÑO DEL SOFTWARE Se implementó un programa en MPLAB para un microcontrolador 18f4550 de MICRO CHIP, el cual muestra mediante una interfaz de usuario la carga de la batería. 4.3.1 Medidor carga de batería Para medir la carga de la batería y mostrarla en una interfaz amigable para el usuario, se implementó el circuito mostrado en la Figura 4.14, donde su salida es procesada por un microcontrolador por el siguiente programa desarrollado en MPLAB IDE y se muestra mediante un LCD. #include #include #include void DelayFor18TCY(){Delay10TCYx(2);} void DelayPORXLCD(){Delay1KTCYx(15);} void DelayXLCD(){Delay1KTCYx(5);} void main(){ TRISA = 0; TRISD = 255; ADCON1 = 15; OpenXLCD(FOUR_BIT & LINES_5X7); SetDDRamAddr(0x00);putrsXLCD("BATTERY STATUS"); while(1){ if(PORTD == 15){ SetDDRamAddr(0x41);putrsXLCD("000");} else if(PORTD == 14){ SetDDRamAddr(0x41);putrsXLCD("025");} else if(PORTD == 12){ SetDDRamAddr(0x41);putrsXLCD("050");} else if(PORTD == 8){ 84 SetDDRamAddr(0x41);putrsXLCD("075");} else if(PORTD == 0){ SetDDRamAddr(0x41);putrsXLCD("100");}}} 4.4 IMPLEMENTACION DEL DISEÑO MECANICO Una vez realizados los cálculos se procede a hacer la construcción mecánica del aerogenerador 4.4.1 Rotor Para el rotor se ensamblaron las ruedas en el eje y los alabes en las ruedas teniendo en cuenta que los alabes van distribuidos cada 120 grados. Figura 4.16 Ens am ble del Rotor 4.4.2 Eje Se utilizó un eje en acero 1020 de largo 120cm y una pulgada de diámetro, en el van las ruedas que sostienen los alabes y el sistema de transmisión. 85 4.4.3 Ruedas Se construyeron dos ruedas en acero para sostener y darle más estabilidad a los tres alabes que van distribuidos cada 120 grados Figura 4 .17 Ruedas del ro tor 4.4.4 Chumaceras Las chumaceras están en la parte superior e inferior de la estructura y son las que sujetan el rotor. Se usa un rodamiento radial en la parte superior ya que son capaces de soportar la fuerza del viento. Y en la parte inferior un rodamiento axial capaz de soportar todo el peso del rotor, el eje y el sistema de transmisión. 4.4.5 Alabes Los alabes fueron construidos según el diseño de Lenz2, los materiales usados fueron aluminio y madera para que fueran más livianas y tuvieran una mejor aerodinámica El esqueleto de los alabes se hizo en madera, se hicieron tres moldes para cada alabe y así darle más estabilidad, las cuales están distribuidas uniformemente en listones de XX 86 Figura 4.18 Moldes para los a labes Figura 4.19 Bas e ens am blada de los a labes Después se cubre el esqueleto del alabe con una lámina de aluminio, se empieza colocando la parte plana, se asegura con tornillos, y se va doblando 87 siguiendo el ángulo del alabe hasta llegar a el último listón y se asegura con tornillos también. Figura 4 .20 Alabes Figura 4 .21 Alabes to ta lm ente ens am bladas 88 Figura 4 .22 Alabes to ta lm ente ens am bladas 4.4.6 Estructura Se construyó una estructura en forma de marco, la cual soporta fuerzas y las transmite a puntos donde se apoya con el fin de tener una máquina resistente y estable. Para la estructura se utilizó aluminio ya que permite la facilidad de movilidad ya que es un material liviano, su función es la de soportar el eje, así como el peso de todos los componentes, el rotor, los alabes, la transmisión, esto permite que el eje se encuentre en voladizo y sujeta la parte superior de la máquina, y cuando la fuerza del viento sea muy grande disminuye el esfuerzo por flexión. La estructura de sujeción tiene unas dimensiones de 120cm x 170cm 89 Figura 4.23 Es tructura del aerogenerador Figura 4.24 es tructura del aerogenerador 90 4.4.7 Transmisión Se diseñó un sistema de transmisión con poleas y correas. La polea de mayor diámetro es de 500mm y la de menor diámetro es de 6mm, la relación de la transmisión es de 8 4.4.8 Ensamble Finalmente cuando ya se tienen todos los elementos se procede a armar el aerogenerador completo Figura 4.25 Ens am ble com pleto de l aerogenerador 91 CAPITULO 5. RESULTADOS OBTENIDOS Las primeras pruebas se realizaron en la Universidad Militar Nueva Granada sede Cajicá, pero a la máquina no le llegaba el viento suficiente para su funcionamiento, por lo que se decidió hacer dos pruebas diferentes. La primera prueba fue poner el aerogenerador en un carro e ir monitoreando los resultados de energía obtenido con la velocidad del carro. Vel (KM/h) Voltaje Obtenido (V) 20 0,015 40 0.096 60 1,07 80 1.18 90 1,20 Tabla 5 .1 Vol ta je En Función De La Velocidad En la segunda prueba se utilizó un motor para poder observar el comportamiento del generador a medida que el número de revoluciones iba aumentando llegando así a las 1200 rpm para que el aerogenerador pudiera cargar una batería de Litio convencional. Figura 5 .1 Banco De Pruebas 92 Vel (RPM) Energía máxima por bobina (Vpico) 100 0,81 500 3,90 600 4,97 1200 11,63 Tabla 5.2 Velocidad en RPM con res pecto a la Energía Producida En Vol tios Vel (Km/h) Energía máxima por bobina (voltspico) 20 0,81 45 3,90 60 4,97 85 11,63 Tabla 5.3 Velocidad en Km /h con Res pecto a la Energía Luego de las modificaciones llevadas a cabo, se probó de nuevo el alternador que arrojó los siguientes resultados: Velocidad (RPM) Energía máxima por bobina (voltspico) 100 0,9421 200 1,567 300 2,7535 400 3,732 500 4,623 600 5,612 700 6,965 800 8,5128 900 9,424 1000 10,8756 Tabla 5 .4 Vol ta je En Función De RPM La tendencia en los resultados obtenidos en las pruebas tiende a ser el mismo que el esperado, por lo que la energía que se está generando no se disipa en el sistema. 93 Gráfica 5 .1 Vol ta je Obtenido En Función De Rpm El rendimiento del alternador cambia de microVoltios a un Voltaje a 1000 revoluciones de 34 Voltios, lo cual significa un cambio significativo en el rendimiento energético obtenido que en un alternador común. 0 2 4 6 8 10 12 0 200 400 600 800 1000 1200 En er gí a M á xi m a p o r B o b in a RPM Reales Esperados 94 CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS Para el diseño del aerogenerador tuvimos en cuenta los principios fundamentales para la generación de energía eléctrica que son: el diseño de la estructura, la transmisión y el estator, los cuales definen qué tipo de aerogenerador se va a emplear y su potencial uso que puede ser para un hogar, edificaciones o de usos masivos, que son los mismos campos eólicos. Durante el desarrollo del proyecto pudimos llegar a la conclusión que las demandas energéticas de un hogar en una zona rural pueden ser suplidas por energías alternativas, dependiendo de características meteorológicas específicas, a un costo relativamente bajo y un uso por décadas sin mayores costos por mantenimiento. De manera que la instalación de sistemas de energías alternativas pueden ser importantes en zonas en que no se cuenta con el fluido eléctrico tradicional. Para que la turbina entre en funcionamiento el viento debe estar alrededor de los 4m/s, esto se debe a que el rotor presenta alta solidez que permite generar una considerable fuerza motriz al inicio de la marcha. Inicialmente se pensó en el diseño de un sistema de transmisión piñón – cadena para el uso de un alternador de automóvil, este sistema necesita de 3600 RPM para tener un funcionamiento óptimo. Debido a esto se implementó un sistema de polea – correa realizando una modificación en el alternador para que su punto de trabajo fuese a menores revoluciones y que de este modo no hubiese gran cantidad de pérdida en la transmisión. Si se quiere usar este tipo de aerogenerador en una zona donde no hay edificios altos se recomienda construir una estructura más alta, para que así le llegue más viento y pueda alcanzar mayores velocidades. La potencia lograda con este prototipo no alcanza a suplir las necesidades de una vivienda promedio. Sin embargo al aumentar la escala de este en próximos desarrollos y mediante la optimización de las variables de operación se pueden llegar a obtener cantidades considerables de energía en este tipo aerogeneradores con apoyo de otras energías alternativas como la energía solar, hidráulica, etc. Las etapas de diseño, construcción y experimentación, pueden brindar una visión para continuar investigando y hacer las mejoras correspondientes para optimizar el funcionamiento de este tipo de aerogeneradores y aprovechar el recurso eólico disponible en las diferentes regiones de nuestro País. 95 BIBLIOGRAFIA Alstom. (23 de Octubre de 2013). ArchiExpo. Obtenido de http://www.archiexpo.es/prod/alstom/aerogeneradores-onshore-tres-palas- eje-horizontal-88574-968340.html Antezana Nuñez, J. C. (2004). Diseño y Construcción de un Prototipo de Generador Eolico de Eje Vertical. Santiago de Chile: Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Fisicas y Matematicas. Asociación Mundial de Energía Eólica. (2011). Reporte Anual de Energía Eólica en el Mundo 2011. Alemania: WWEA Head Office. AviacionD. (30 de Mayo de 2011). AviaciónD. Obtenido de http://www.aviaciond.com/2011/05/el-porque-del-vuelo-de-un-avion/ Consejo de Energias Renovables. (23 de Octubre de 2013). Obtenido de http://www.consejoenergiasrenovables.com/index.php/proyectos/energia- eolica Eléctrico, R. E. (8 de Septiembre de 2012). Revista Eólica y del Vehiculo Eléctrico. Obtenido de http://www.evwind.com/wp- content/uploads/2012/07/offshoregrande1.jpg Escobar, J. A. (2009). Vientos de Cambio. Procesos Vientos de Cambio. Faires, V. M. (1995). Diseño de Elementos de Máquinas. México: Editorial Limusa. Fernández Muerza, A. (12 de Abril de 2010). ECOticias. Obtenido de http://www.ecoticias.com/energias-renovables/24746/noticias-energias- energias-renovables-verdes-limpias-alternativas-sostenibles-sustentables- eolica-geotermica-solar-termosolar-concentracion-eficiencia-energetica- definicion-tipos-ventajas-paneles-placas-m Google Maps. (2014). Google Maps. Obtenido de https://www.google.com/maps/place/Military+University+Nueva+Granada GreenTerraFirma. (Octubre de 2013). GreenTerraFirma. Obtenido de http://greenterrafirma.com/images/L2_flying.jpg Harper, E. (2004). El Libro Práctico de los Generadores, Transformadores y Motores Eléctricos. Mexico: Limusa. 96 Hau., E. (2006). Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Germany: Springer. Howell, A. (16 de Mayo de 2011). Obtenido de http://www.andyhowell.info/trek - blog/wp-content/uploads/2011/05/Rihmastowiki_windside.jpg ICONTEC. (2008). GTC 172. Energía Eólica. Guia para Generación de Energía Eléctrica. Bogotá. ICONTEC. (2008). GTC 172. Energía Eólica. Guia para Generación de Energía Eléctrica. Bogotá. Ideas Online. (15 de Agosto de 1988). Obtenido de Manual para estimación de velocidad del viento: http://www.ideassonline.org/tecnologias/E032.Manual%20para%20estimaci %C3%B3n%20de%20velocidad%20del%20viento.Mexico.pdf Kelly, P. J. (09 de 2014). Practical Guides to Free-Energy Devices. Obtenido de http://www.free-energy-info.com/Chapt14S.html Marcellus, & Jacobs. (s.f.). Obtenido de https://yt3.ggpht.com/- xT8_UtQh18Y/AAAAAAAAAAI/AAAAAAAAAAA/2DkbvLA8Q5Y/s900-c-k- no/photo.jpg Mosca, T. (2005). Fisica para la ciencia y la tecnologia. España: Reverté. Mott, R. L. (2006). Diseño de elementos de máquinas. México: PEARSON EDUCACION. OPEX energy. (2014). Obtenido de http://opex- energy.com/eolica/tipos_aerogeneradores.html Orduz Berdugo, O. I., & Suarez Perez, J. E. (2011). Diseño y construccion de un prototipo de turbina eolica de eje vertical para generacion a baja potencia. Bucaramanga. Petricio, F. (2014). Francisco Petricio. Obtenido de http://www.fpetricio.cl/barras-y- pletinas/18-barras-redondas-lisas.html Philips, R. E. (Octubre de 1993). University of Missouri. Obtenido de http://extension.missouri.edu/explore/images/g01981art01.jpg Philips, R. E. (Octubre de 1993). University of Missouri Extension. Obtenido de http://extension.missouri.edu/explore/images/g01981art02.jpg 97 Pinilla S, A. (1997). Manual de Aplicación de la Energía Eólica. Instituto de Ciencias Nucleares y Energias Alternativas (INEA). Subsecretaria de Energía Eléctrica. (2008). Energias Renovables 2008 - Energía Eólica. Argentina: Secretaria de Energía. Tesionlines. (2012). Obtenido de http://www.tesionline.it/consult/preview.jsp?pag=11&idt=42053 Torelló, A. (Septiembre de 2009). Planeta Neutro. Obtenido de http://www.renovables-energia.com/2009/09/aerogenerador-darrieus/ Torelló, A. (Septiembre de 2009). Planeta Neutro. Obtenido de http://www.renovables-energia.com/2009/09/aerogenerador-savonius/ Tosatado, M. (2008). Energía Eólica. En Arogeneradores. Tipos (pág. 11). Universidad de Castilla - La Mancha. (Enero de 2011). UCLM. Obtenido de http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/FAA/EEOLICA_Febrero2012_G9. pdf Villarubia López, M. (2012). Ingeniería de la Energía Eólica. En Aspectos Generales (págs. 7-9). Barcelona: Marcombo S.A.