Implementación de un laboratorio de energía eólica en

[Ide@s CONCYTEG 7 (88): Octubre, 2012]
ISSN: 2007-2716
Implementación de un laboratorio
de energía eólica en una institución
educativa: análisis técnico y
económico
Garzón Huertas A.G
Universidad Tecnológica de Pereira
Resumen
La utilización de las energías alternativas ha logrado gran importancia en todo el mundo debido a la
concientización de las personas sobre factores ambientales y la necesidad de encontrar fuentes de energía más
baratas y duraderas. Factores históricos como la crisis del petróleo, y el aumento de los precios de los
combustibles, están obligando a investigar sobre energías alternativas para comenzar el proceso de sustitución
de las convencionales. En este trabajo se presenta un análisis técnico y económico para la implementación de
un laboratorio que involucre energías alternativas. En este análisis podemos encontrar los costos de los
componentes del laboratorio individualmente, así como del equipo completo.
Palabras claves: Energía eólica, laboratorio, análisis técnico y económico.
Abstract
The use of alternative energy has achieved great importance worldwide due to the awareness of people about
environmental factors and the need to find cheaper energy sources and sustainable. Historical factors such as
the oil crisis and rising fuel prices are forcing researching alternative energies to begin the process of
replacing the conventional. This paper presents a technical and economic analysis for the implementation of a
laboratory involving alternative energy. In this analysis we find the costs of the individual components of the
laboratory and the equipment completely.
Keywords: Eolic energy, laboratory, technical and economic analysis.
Introducción
La energía eólica tiene su origen en la energía
solar, más específicamente en el calentamiento
diferencial de masas de aire por el sol, ya sea
por diferencias de latitud (vientos globales) o el
terreno (mar-tierra o vientos locales). Las
diferencias de radiación entre distintos puntos
de la tierra generan diversas áreas térmicas y los
desequilibrios de temperatura provocan
cambios de densidad en las masas de aire que se
traducen en variaciones de presión. La energía
eólica es la fuente de energía de más
crecimiento en el mundo. Actualmente en
muchos países como Alemania, Dinamarca,
España, Suecia y Estados Unidos entre otros, se
están construyendo turbinas eólicas para
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Implementación de un laboratorio de energía
eólica en una institución educativa: análisis
técnico y económico de energía eléctrica
generar energía eléctrica bien sea conectada a la
red o independiente. La energía eólica así como
otras energías renovables, ha experimentado un
gran auge, algo que va extendiéndose a todos
los países que cada vez están más
concientizados de la importancia de las energías
renovables como una fuente alternativa de
energía, con un impacto sobre el medio
ambiente mucho menor que las convencionales,
que a fin de reducir emisiones de gases
contaminantes están potenciando la energía
eólica como la fuente de energía renovable más
viable para la generación eléctrica.
Marco teórico
Hasta la aparición de la máquina de vapor en el
siglo XIX, la única energía de origen no animal
para la realización de trabajo mecánico era la
proveniente del agua o del viento. La primera y
más inmediata forma de aprovechamiento de la
energía eólica ha sido desde los tiempos más
remotos aplicada a la navegación; las primeras
referencias de la utilización de embarcaciones a
vela proceden de Egipto y datan del IV o V
milenio A.C.
Los molinos de viento existían ya en la más
remota antigüedad. Persia, Irak, Egipto y China
disponían de máquinas eólicas muchos siglos
A.C.; Hammurabi rey de Babilonia, 17 siglos
antes de A.C. utilizó molinos accionados por el
viento para regar las llanuras de Mesopotamia y
para la molienda del grano. Se trataba de
primitivas máquinas eólicas de rotor vertical
con varias palas de madera o caña, cuyo
movimiento de rotación era comunicado
directamente por el eje a las muelas del molino.
Los molinos de viento fueron utilizados en
Europa en la Edad Media, comenzando a
extenderse por Grecia, Italia y Francia
(Fernandez, 2001).
El desarrollo de la energía eólica comienza en
los años cincuenta y se prolonga hasta
mediados de los sesenta en que, una vez
restablecida la economía internacional, acaba
perdiendo interés al no resultar sus precios
competitivos con los de los combustibles fósiles
convencionales, por lo que el bajo precio del
petróleo, hasta 1973, cerró el camino al
desarrollo de la tecnología eólica; a esta etapa
siguió otra de precios del petróleo altos que se
prolongó hasta 1986 y que favoreció el
desarrollo de los aerogeneradores eólicos como
fuente de energía alternativa, renovable y no
contaminante, capaz de producir electricidad a
precios competitivos.
El viento se puede definir como una corriente
de aire resultante de las diferencias de presión
en la atmosfera provocadas, en la mayoría de
los casos, por diferencias de temperatura,
debidas a las diferencias de la radiación solar en
los distintos puntos de la tierra. La energía del
viento es de tipo cinético debido al movimiento
que se deriva de su acción, lo que hace que la
potencia obtenible del mismo dependa de su
velocidad, así como del área de la superficie de
barrido La obtención de electricidad por medio
de centrales eólicas es una alternativa para
obtener energía eléctrica no contaminante, que
evita daños ambientales y previene el
calentamiento global y que al compararla con
otras formas de producción de energía eléctrica
resulta la más cercana a la sustentabilidad. Las
plantas que producen energía a partir del viento
no utilizan combustibles como el carbón o
cualquier derivado del petróleo o gas natural.
Tampoco emiten gases contaminantes al aire ni
provocan el efecto invernadero o consumen
agua u otro recurso natural (Coomonte, B. R.,
2005).
La potencia eólica disponible es proporcional al
cubo de la velocidad del viento. Un incremento
de velocidad de viento en 1 m/s, por ejemplo de
5 a 6 m/s, representa un aumento sustancial en
potencia: 5m/s = 125 W contra 6m/s = 216 W
(73% de incremento). Así mismo si la velocidad
del viento se duplica, la potencia disponible se
incrementa en ocho veces. Es por esto, que
lugares con altos niveles de velocidad de viento
son preferidos para la evaluación sistemática
del recurso, así como para el emplazamiento de
sistemas de conversión de energía eólica.
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eólica en una institución educativa: análisis
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Figura 1: Perfil del viento
8
9
10
11
12
307
437
600
800
1040
Y la podemos obtener a partir de:
Dónde:

: es la densidad del aire
 v: la velocidad del viento
Fuente: Tomado de: (Tore W., 2008)
La forma cómo cambia el viento con la altura
puede ser descrita mediante un perfil de viento.
En la figura 1 se muestra la relación de la
velocidad del viento contra la altura sobre el
nivel del mar. Si la superficie es agua o plana,
la fricción contra el suelo tiene poco efecto y el
perfil de viento sería casi vertical. Si la
superficie es rugosa, el viento cercano a la
superficie perderá velocidad y el perfil de
viento será una curva (Tore W., 2008).
La velocidad del viento es muy importante para
la cantidad de energía que un aerogenerador
puede transformar en electricidad. La cantidad
de energía que posee el viento varía con la
tercera potencia de la velocidad media del
viento.
En el siguiente cuadro se muestra la variación
de la potencia eólica específica (FOCER, 2002).
Velocidad del
viento en (m/s)
2
3
4
5
6
7
Potencia eólica
específica en (W/m2)
5
16
38
75
130
206
En el caso de turbinas eólicas se usa la energía
de frenado del viento, por lo que si doblamos la
velocidad del viento tendremos dos veces más
porciones cilíndricas de viento moviéndose a
través del rotor cada segundo, y cada una de
esas porciones contiene cuatro veces más
energía (FOCER, 2002). Teniendo en cuenta lo
anterior se identifican los siguientes factores
que influyen en la potencia del viento.
•
•
•
Área por donde pasa el viento
Densidad del aire
Velocidad del viento
Para relacionar la potencia del viento obtenida
con la potencia entregada por el aerogenerador
se presentan las siguientes curvas. La curva de
potencia es un gráfico que indica cuál será la
potencia
eléctrica
disponible
en
el
aerogenerador a diferentes velocidades del
viento, estas se obtienen a partir de medidas
realizadas en campo, dónde un anemómetro es
situado sobre un mástil relativamente cerca del
aerogenerador más o menos a unos 100 m de
altura, no sobre el mismo aerogenerador ni
demasiado cerca de él, pues el rotor del
aerogenerador puede crear turbulencia y hacer
que la medida de la velocidad del viento sea
poco fiable(Medina Á. C., Seccia, A. P., 2003).
En la práctica la velocidad del viento siempre
fluctúa y no se puede medir exactamente la
columna de viento que pasa a través del rotor
del aerogenerador. Colocar un anemómetro
justo enfrente del aerogenerador no es una
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solución factible, ya que el aerogenerador
también proyectará un abrigo que frenará el
viento enfrente de él.
Componentes básicos de la
Generación Eólica
En la actualidad existe toda una enorme
variedad de modelos de aerogeneradores,
diferentes entre sí tanto por la potencia
proporcionada, como por el número de palas o
incluso por la manera de producir energía
eléctrica ya sea aislados o en conexión directa
con la red de distribución convencional.
Estos aerogeneradores cuentan con varios
componentes principales los cuales se describen
a continuación.
1. Rotor: Convierte la energía cinética del
viento en un movimiento rotatorio aleje
principal del sistema. Está compuesto por las
aspas y el eje al que están unidas, este puede ser
de eje horizontal o vertical el cual puede
recuperar como máximo teórico el 60% de la
energía cinética del flujo del viento que lo
acciona (Arosemena C., 2004).
2. Palas: Elementos que capturan el viento y
transmiten su potencia hacia el buje. Las palas
del rotor se diseñan para que giren con el viento
moviendo el generador de la turbina.
Figura 2: Curva de potencias
Fuente: Tomado de:(Medina, 2003).
• Paso variable. Aquellas que capturan en
todo momento la energía del viento. La
reducción de la potencia mecánica
suministrada al generador la controla
mediante modificación del ángulo de paso
de la pala.
Las turbinas de viento modernas de gran
escala típicamente se equipan de rotores de
tres palas con extensiones de 42 a 80 metros
de diámetro. Las palas se pueden clasificar
en:
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• Paso fijo. Este tipo de palas no dispone de
modificación de ángulo de paso, por lo
que cuando el viento supera un margen, es
necesario un sistema que limite el empuje
mecánico del viento al generador. Esta
limitación se consigue con la entrada en
pérdida aerodinámica a partir de cierta
velocidad de viento (aprox. 15 m/s),
provocando turbulencias en el flujo de
aire, reduciendo así el par suministrado al
eje lento (Arosemena C., 2004).
7. Sistema de protección: Cualquiera que sea
el tipo de aerogenerador es necesario, para
evitar su destrucción cuando los vientos son
demasiados fuertes, que esté provisto de un
sistema que permita disminuir las tensiones
mecánicas en la hélice. Por esta razón deben
estar provistos de frenos aerodinámicos, entre
los que se tienen.
 Funcionamiento por variación del ángulo
de paso (Pitch). El control de la potencia
por variación del ángulo de paso de las
palas (control del par torsor para evitar
sobrecargas en la caja multiplicadora y
en el generador) es un proceso mecánico
que implica que el tiempo de reacción
del mecanismo de cambio del ángulo de
paso sea un factor crítico en el diseño de
la turbina.
3. Eje de baja velocidad: Conecta el buje del
rotor a la caja multiplicadora por el interior
del eje.
4. Caja multiplicadora: Es la encargada de
cambiar la frecuencia de giro del eje a otra
menor o mayor según dependa el caso para
entregarle al generador una frecuencia
apropiada para que este funcione. Por una
entrada se encuentra el eje lento y mediante
unos engranajes consigue que el eje de salida
de alta velocidad gire más rápido.
Generalmente entre 50 y 70 veces más rápido
dependiendo de la potencia de la turbina
(Segurado, 2003).
 Control activo por pérdida aerodinámica
(Active stall control). Se ha incorporado
en los aerogeneradores de mayor
potencia en el que las palas pueden girar
sólo unos grados, menos de 10o, en el
ángulo de las palas, para ajustar mejor el
perfil de pérdida en la zona de altas
velocidades del viento (18-25m/s).
5. Eje de alta velocidad: Este eje gira
aproximadamente a 1.500 revoluciones por
minuto, lo que permite el funcionamiento del
generador eléctrico. Está equipado con un
freno de disco mecánico de emergencia el
cual se utiliza encaso de fallo del freno
aerodinámico.
8. Sistema de soporte: Torre. Soporta la
góndola y el rotor, puede ser tubular. Tienen
varios tramos para facilitar el transporte; la
unión de los distintos tramos se realiza
mediante pernos en las bridas de unión, y la
cimentación. Es la parte que permite asegurar
la torre vertical, absorber los esfuerzos de
rotor y góndola y transmitirlos correctamente
al terreno. Se calcula con base al tipo de suelo
y al tamaño del aerogenerador a instalar
(Arosemena C., 2004).
6. Sistema de orientación: Uno de los
principales componentes del sistema de
orientación son los motores de orientación,
este es un mecanismo que posiciona la
turbina frente al viento. Este movimiento es
circular, se consigue con unos motores y
reductores fijos a la góndola y engranando en
un dentado de la parte superior de la torre
llamada corona de orientación. La señal de
posicionamiento correcta la recibe el
controlador de la turbina, con las lecturas de
la veleta y el anemómetro instalados en cada
turbina (Arosemena C., 2004).
9. Sistema de generación: El generador
eléctrico es el elemento del aerogenerador
encargado de convertir la energía mecánica
en energía eléctrica. La electricidad
producida en el generador es conducida por
cables a la base de la torre para ser
transformada elevando la tensión producida
para así poder ser enviada a la subestación y
luego a los usuarios del servicio. En la
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generación de electricidad a partir de la
energía del viento se utilizan dos familias de
máquinas:
En la gráfica siguiente se muestra para
diferentes diámetros del rotor la velocidad en
m/s y la potencia en W del aerogenerador.
 Generadores DC: convierten una energía
mecánica de entrada en energía eléctrica
de salida en forma de corriente continua.
En la actualidad, estos generadores han
caído en desuso y han sido sustituidos por
rectificadores de silicio (diodos), que
transforman la CA en DC en forma
estática y con mayor rendimiento.
Consisten en un inductor (embobinado
alimentado con DC) colocado en el estator
el cual tiene la tarea de generar un campo
magnético constante (idealmente podría
ser un imán permanente). El rotor, y en
este caso inducido giratorio, está provisto
de un colector de delgas sobre el cual se
deslizan las escobillas.
Para el caso del laboratorio se toma como
referente un diámetro de rotor para mirar el
tipo de aerogenerador que se requiere.
Figura 3: Límite de Betz para diferentes
diámetros de rotor
 Generadores asíncronos o de Inducción:
estos generadores se basan en el fenómeno
de campo magnético rotatorio resultante,
al alimentar los embobinados del estator
con voltajes sinusoidales trifásicos
desfasados 120 entre sí. Se definen
asincrónicos porque la velocidad del rotor
no presenta el sincronismo impuesto por la
red (Aller, J. M., 2005).
Componentes del Laboratorio
Aerogenerador
Fuente: Tomado de: (Aller, 2005)
Esta metodología tiene por objeto determinar
las especificaciones técnicas del de
aerogenerador que se debe utilizar en el
laboratorio, para lo cual se consideran una
serie de cálculos partiendo de la ecuación de
la energía cinética de una masa de aire en
movimiento, por la cual se determina que la
potencia suministrada por el aerogenerador es
directamente proporcional al cuadrado del
diámetro del rotor y al cubo de la velocidad
del viento.
Ventilador: Elemento que
proporciona condiciones
apropiadas de viento
El análisis del aerogenerador suministra
posibles diámetros del rotor que se puede
llegar a utilizar para el laboratorio, de
acuerdo con esto se puede llegar a conocer la
velocidad del viento requerida para que el
aerogenerador obtenga una potencia de 400
W que para este caso es de 7 m/s de acuerdo
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técnico y económico de energía eléctrica
con la Figura 3, por esta razón una vez
conocida la velocidad del viento a la cual el
aerogenerador tiene un funcionamiento
nominal, se realiza en el mercado la búsqueda
de un equipo ventilador necesario y que
cumpla con las condiciones nominales.
Tipo
2CC2 404-5YP6
2CC2 504-5YB6
2CC2 634-5YB6
2CC2 714-5YB6
2CC2 506-5YB6
2CC2 636-5YB6
2CC2 716-5YB6
Datos técnicos ventiladores trifásicos Siemens
D
Tipo
[mm]
2CC2
4045YP6
2CC2
5045YP6
2CC2
6345YP6
2CC2
7145YP6
2CC2
5065YP6
2CC
2
6365YP6
2CC
2
7165YP6
Pe
[kg]
220 V
Velocidad
[m/s]
11,544
14,926
17,099
21,141
9,730
18,084
13,311
Túnel de Viento
Pe
[kg]
220 V
440 V
El túnel de viento es una instalación
experimental que sirve para estudiar
cómo actúa el viento al incidir sobre
objetos de distintas formas y naturaleza.
Estos estudios permiten predecir las
fuerzas generadas cuando estos cuerpos
se desplazan en el seno del aire (cohetes,
aviones, automóviles, motocicletas) o por
la acción del viento sobre cuerpos
estacionarios (edificios, antenas).
Figura 4: Túnel de viento
1,45
0,20
74
7,0
1,14
0,57
500
2,93
0,66
78
21,5
3,00
1,50
630
5,33
1,60
87
30,5
6,40
3,20
710
8,37
91
46,5
3,58
14,0
7,0
[mm]
Área
[m2]
0,1256
0,1963
0,3117
0,3959
0,1963
0,1963
0,3959
440 V
400
D
Tipo
I [A]
R
P
C
[kW]
3
[dB][A]
[m /s]
Caudal
[m3/s]
1,45
2,93
5,33
8,37
1,91
3,55
5,27
I [A]
R
P
C
[m3/s] [kW] [dB][A]
500
1,91
0,19
68
18,5
1,22
0,61
630
3,55
0,51
76
25,0
3,10
1,55
710
5,27
1,20
80
32,5
6,70
3,35
Luego de tener las características técnicas de
los ventiladores, se puede calcular a partir del
caudal, la velocidad del flujo de aire, teniendo
en cuenta que:
Fuente: Tomado de: (Aller, 2005)
El objetivo de esta instalación es estudiar las
bases de la generación de energía eólica y
observar las distintas opciones de diseño de
un aerogenerador.
Por lo tanto
Análisis económico
Conocida la ecuación anterior se realiza el
cálculo de la velocidad del aire.
Una
vez
definidas
las
alternativas
técnicamente
aceptables,
tanto
para
aerogenerador como para el ventilador se
realiza un análisis económico para encontrar
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eólica en una institución educativa: análisis
técnico y económico de energía eléctrica
la solución óptima. Este tipo de análisis es
fundamental para la elección de una
alternativa de laboratorio de energía eólica.
Esto se realizará por medio de una
comparación de costos totales, en valor
presente neto, el cual es el método más
conocido a la hora de evaluar proyectos de
inversión a largo plazo.
Aerogenerador
Ventilador
Variador de
15
velocidad
Data Acquisition
10
Sensores
10
Equipo de computo
5
Tunel de viento
25
En el siguiente cuadro se encuentra el análisis
de las depreciaciones para cada elemento a 5
años, utilizando el criterio de la depreciación
lineal.
El costo de los equipos que se requieren para
la implementación del laboratorio de energía
eólica se encuentra detallado en la cuadro
siguiente. Dichos valores están referenciados
a cotizaciones solicitadas a varias empresas
entre las cuales se encuentran Siemens,
Aprotec, National Instruments entre otras,
correspondiendo estos, a equipos que
cumplen con las características mínimas
establecidas en el análisis técnico.
Especificación
Aerogenerador
Ventilador
Variador de
velocidad
Data Acquisition
Sensores
Equipo de Computo
Costo total de
elementos
Vida útil en
años
20
15
Equipo
Costos en pesos
IVA incluido
3,364,000
2,262,000
1,740,000
1,800,000
580,000
2,000,000
11,746,000
Equipo
Depreciación
al año [$/año]
Depreciación
a 5 años [$]
Aerogenerad
or
Ventilador
Variador de
velocidad
Data
Acquisition
Sensores
Equipo de
computo
Total
depreciación
a 5 años
168,200
841,000
150,800
116,000
754,000
580,000
180,000
900,000
58,000
400,000
290,000
2,000,000
5,365,000
Conclusiones
A través del presente trabajo se identificó una
fuente de energía mediante la cual es posible
obtener energía eléctrica no contaminante,
también se conoció los principios básicos del
funcionamiento y los componentes necesarios
para generar dicha energía la cual tiene una
tendencia de aumentar cada día los kW
instalados en el mundo entero, durante el
desarrollo de este trabajo se conocieron las
ventajas y aplicaciones de esta energía.
Un parámetro importante que se debe tener en
cuenta en proyectos de esta naturaleza es la
depreciación, la cual se define como la
pérdida de valor, no recuperado con el
mantenimiento, que sufren los activos, y se
debe a diferentes factores que causan
finalmente su inutilidad, obligando por tanto
a reemplazar dicho activo al final de su vida
útil. En el cuadro siguiente se muestran los
años de vida útil de cada elemento.
Dentro del análisis del funcionamiento del
aerogenerador se encontraron teorías
aerodinámicas, eléctricas, y mecánicas
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Implementación de un laboratorio de energía
eólica en una institución educativa: análisis
técnico y económico de energía eléctrica
actuales necesarias para la puesta en marcha y
funcionamiento del aerogenerador, por otra
parte se puede decir que la energía producida
depende del área barrida por las palas, que
podemos encontrar aerogeneradores que
trabajan con diferentes tipos de generadores
que de esto depende la robustez del mismo y
que pueden ser utilizados de forma aislada o
conectados a la red eléctrica.
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El conocimiento aportado por el trabajo de
grado fomenta en el estudiante gran interés en
el campo de la energía eólica y sirve como
apoyo para el desarrollo de más
investigaciones en el área, también se
presenta a ésta tecnología como parte de una
solución, que puede ser implementada de
inmediato para mitigar los problemas
existentes causados por la gran dependencia
del petróleo que tiene la población mundial.
Recomendaciones
Como complemento al presente trabajo se
propone realizar una vez instalado el
laboratorio, una serie de prácticas que
conlleven al desarrollo óptimo de los
conocimientos en el área de la energía eólica
y a una buena utilización del equipo eólico.
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http://prof.usb.ve/robert/proyinv.htm.
De igual manera se recomienda continuar con
el estudio de esta fuente de energía limpia, no
contaminante que evita el efecto invernadero
ya que nuestro país cuenta con lugares ricos
en vientos necesarios para la generación de
electricidad.
Se recomienda realizar el software que
permita la buena recolección de los datos
arrojados por los instrumentos de medida, con
el fin de ratificar los resultados planteados en
la teoría.
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[Ide@s CONCYTEG 7 (88): Octubre, 2012]
ISSN: 2007-2716
Implementación de un laboratorio de energía
eólica en una institución educativa: análisis
técnico y económico de energía eléctrica
Alfonso Germán
Garzón Huertas
Ingeniero
electricista,
Magister
en
Sistemas
Integrados de Gestión de la
Calidad,
Universidad
Tecnológica
de
Pereira.
Colombia
E-mail:[email protected]
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