proyecto aprobado para el cemie

PROYECTO APROBADO PARA EL CEMIE-EÓLICO
PROYECTO NÚMERO P08
1. Titulo
Diseño y construcción de un aerogenerador experimental con capacidad de 3 kW y desarrollo de
software de simulación en realidad virtual, con fines didácticos.
2. Tipo de proyecto
Formación de recursos humanos
3. Instituciones y empresas participantes
Universidad del Istmo, UNISTMO
Número de RENIECYT: 1702
Dirección: Cd. Universitaria S/N, Barrio Sta. Cruz, Cuarta Sección. C.P. 70760
Santo Domingo Tehuantepec, Oax.
Universidad Politécnica de Chiapas
Número de RENIECYT: 2704
Dirección: Calle Eduardo J. Selvas s/n Col. Magisterial CP. 29082
Tuxtla Gutiérrez, Chiapas.
Instituto Tecnológico del Istmo
Número de RENIECYT: 033-90
Dirección: Carretera Panamericana KM 281, Segunda Sección, Código Postal
70000.
H. Ciudad de Juchitán de Zaragoza, Oaxaca.
Universidad Autónoma de Zacatecas
Número de RENIECYT: 1316
Dirección: Jardín Juárez 147, Col. Centro. C.P. 98000.
Zacatecas, Zac.
4. Líder técnico
Miguel Ángel Hernández López
CVU: 102401
Grado máximo: Doctorado
Miembro del S.N.I. = NO
Universidad del Istmo (UNISTMO)
Perfil. Es Ingeniero en Computación, Maestro en Ingeniería Eléctrica y Doctor en Ingeniería
Eléctrica. Es Profesor Investigador, y es Director del Instituto de Energías Renovables de la
UNITSMO, con amplia experiencia en el diseño de sistemas de control de sistemas híbridos eólicosolares.
Estudios: UNAM
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5. Líder administrativo
C.P. Héctor Manuel Castillo Sosa
6. Principales participantes del equipo de trabajo
Miguel Ángel Hernández López
CVU: 102401
Grado máximo: Doctorado
Miembro del S.N.I. = NO
Universidad del Istmo (UNISTMO)
Perfil. Es Ingeniero en Computación, Maestro en Ingeniería Eléctrica y Doctor en Ingeniería
Eléctrica. Es Profesor Investigador, y es Director del Instituto de Energías Renovables de la
UNITSMO, con amplia experiencia en el diseño de sistemas de control de sistemas híbridos eólicosolares.
Estudios: UNAM
Jesús Arellano Pimentel
CVU: 44925
Grado máximo: Maestría
Miembro del S.N.I. = NO
Universidad del Istmo, UNISTMO
Perfil.- Es Ingeniero en Sistemas Computacionales. Su líneas de investigación son el control de
robots móviles e inteligencia artificial y el modelado y desarrollo de sistemas de información.
Estudios: UNISTMO
José Rafael Dorrego Portela
CVU: 292114
Grado máximo: Maestría
Miembro del S.N.I. = NO
Universidad del Istmo (UNISTMO)
Perfil.-Es Ingeniero Mecánico y Maestro en Ingeniería Mecánica. Es Profesor investigador, con
experiencia en el desarrollo de sistemas eólicos, sistemas híbridos eólico-solares, y diseño
aerodinámico y estructural de aerogeneradores.
Estudios: Universidad de Oriente, Cuba.
Manuel de Jesús Palacios
CVU: 68308
Grado máximo: Maestro
Gallegos
Miembro del S.N.I. =
Universidad Politécnica de Chiapas (UPCH)
Perfil.- Es Ingeniero Mecánico y Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica. Participó en el IIE en
el diseño de un aerogenerador de 1.2 MW, particularmente en el análisis y especificaciones de los
modelos de componentes mecánicos. Actualmente está en la fase de trámites de titulación del
Programa Doctorado en Ingeniería en el CIMAV.
Estudios: IT-Tuxtla y CENIDET
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Manuel Reta Hernández
CVU: 51550
Grado máximo: Doctor
Miembro del S.N.I. =
Universidad Autónoma de Zacatecas (UAZ)
Perfil.- Es Ingeniero Electricista y Doctorado en Ciencias en Sistemas Eléctricos. Actualmente es
profesor con perfil PROMEP, pertenece y es líder del Cuerpo Académico de Investigación y
Desarrollo Tecnológico: UAZ-CA 55 “en Consolidación”.
Estudios: UAZ y UE-Arizona TEMPE
7. Antecedentes
Actualmente en México se está dando un fuerte impulso a la instalación de parques eólicos, lo cual
implica la necesidad de contar con recursos humanos capacitados en la operación de tecnología
asociada con miras al desarrollo de la misma. En diferentes instituciones de educación superior se
imparten carreras asociadas al sector energético, entre las que se encuentran: A) La Universidad
Autónoma Metropolitana, la Universidad Autónoma de Guadalajara y la Universidad Politécnica de
Chiapas con la carrera de Ingeniería en Energía; B) La Universidad Nacional Autónoma de México y
la Universidad Tecnológica Tamaulipas de manera conjunta con el Centro de Investigación en
Materiales Avanzados con la Maestría en Energía; C) El Centro de Investigación Científica de
Yucatán, el Instituto Tecnológico de Sonora del Instituto Politécnico Nacional y la Universidad
Autónoma de Nuevo León con la Maestría en Energías Renovables. D) La Universidad del Istmo
con la maestría en ciencias de la energía eólica.
Todas están encaminadas a la formación de recursos humanos de calidad y cuentan con
instalaciones para llevar a cabo el estudio general de las energías renovables y prácticas con los
elementos que componen los equipos utilizados para el aprovechamiento de dichas energías. Sin
embargo, aún se necesitan elementos complementarios de carácter didáctico para realizar
prácticas y trabajo experimental. A nivel mundial el estudio de la energía eólica ha cobrado un
especial interés al grado que se cuenta con diferentes centros de investigación especializados al
estudio de la energía eólica, aerogeneradores y de los recursos eólicos. Por ejemplo, en España se
encuentra el Laboratorio de Ensayos de Aerogeneradores que depende del Centro de Estudios de
Energías Renovables, con instalaciones diseñadas y construidas para evaluar y certificar
aerogeneradores del sector industrial y cuyos alcances permiten la investigación de nuevas
tecnologías y la formación de recursos humanos. En Estados Unidos de América está el Centro de
Energía Eólica de la Universidad de Massachusetts en el donde se realiza investigación del sector
eólico y que cuenta con proyectos en colaboración con el sector industrial.
En India cuentan con el Centro de Tecnología en Energía, donde se realiza investigación de
componentes de aerogeneradores, tiene una estrecha colaboración con el sector industrial y
además se realizan procesos de certificación de los aerogeneradores e instalaciones de acuerdo
con normas internacionales. En Argentina se tiene el Centro Regional de Energía Eólica que cumple
con tareas de capacitación y asesoría a nivel internacional. Cabe mencionar que todos estos
centros han requerido una fuerte inversión de los gobiernos de cada país además de una
participación importante del sector industrial.
En la actualidad el impulso que proporciona el Gobierno Federal al crecimiento de la industria
eólica en México, ha dado paso a la creación de nuevas fuentes de empleo y al requerimiento de la
tecnología asociada a este desarrollo en particular de aerogeneradores; requerimiento que ha sido
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cubierto por diversas compañías como GAMESA, ACCIONA, VESTAS, SIEMENS y CLIPPER todas ellas
de origen extranjero y de las cuales solo CLIPPER utiliza generadores eléctricos fabricados en
México por la compañía POTENCIA INDUSTRIAL.
Otros de los aspectos que se pueden observar dentro de los nuevos parques eólicos, es que el
personal responsable de la parte operativa y técnica en la mayoría de los casos suelen ser
originarios de los mismos países de donde se importan los aerogeneradores al ser personal que
está certificado por instancias internacionales. En cuanto a educación, la problemática que se
presenta en los parques eólicos son las restricciones existentes para llevar cabo prácticas en sus
instalaciones; a diferencia de lo que sucede en empresas como Pemex que tiene incluso
instalaciones tipo escuela en donde no sólo capacitan a su personal, sino que se abre la opción a
estudiantes a visitar y/o trabajar en las plantas y sus instalaciones.
Una solución, es contar con centros similares al laboratorio de ensayos de aerogeneradores de
España. Por parte del Instituto de Investigación Eléctricas se cuenta con el “Centro Regional de
Tecnología Eólica” en el Istmo de Tehuantepec, mismo que de acuerdo con esta propuesta será
incorporado como infraestructura tecnológica del Centro Mexicano de Innovación en Energía
Eólica.
Con base en lo antes mencionado, se hace necesario emprender acciones encaminadas a
desarrollar una industria eólica propia a partir de la formación de recursos humanos capaces. Por
lo cual se requiere
•
Dotar a las instituciones de educación superior con instalaciones y equipos adecuados para
llevar a cabo el trabajo científico y docente de alta calidad asociado al uso y aprovechamiento
de los recursos eólicos.
•
Formar los recursos humanos que el sector eólico necesita, especializados en el desarrollo,
fabricación y operación de las tecnologías asociadas al aprovechamiento de los recursos
eólicos, con la capacidad de trabajar en los actuales parques y desarrollar nuevas tecnologías
propias a las necesidades del país.
•
Continuar e incentivar el desarrollo de proyectos de investigación que tengan como propósito
la creación de nuevas tecnologías asociadas al sector eólico de alta y baja potencia,
permitiendo a un mayor sector de la población gozar los beneficios que se pueden obtener al
contar con vientos adecuados en las diferentes regiones del país.
Se propone diseñar y construir un aerogenerador experimental a escala reducida, el cual cuente
con todas las características, instalaciones, infraestructura y equipos de un aerogenerador de alta
potencia y contar así con un simulador cercano a la realidad. A su vez, el desarrollo de software en
realidad virtual que simule las instalaciones, equipos, infraestructura funcionamiento y operación
de un parque eólico y su interacción con las redes eléctricas.
Se desea diseñar y construir un aerogenerador con una potencia nominal de 3 KW, con una
configuración aerodinámica para aprovechamiento de regímenes de viento relativamente bajos. Al
aerogenerador se le pretende incorporar un generador de inducción de rotor devanado (o doble
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alimentación) y una caja reductora, buscando reproducir la estructura que presentan los
construidos por las marcas Acciona, Vestas o Gamesa que son las máquinas que están instaladas
en el Istmo de Tehuantepec (más de 1000 máquinas a la fecha).
8.- Objetivos y metas
Desarrollar y construir un aerogenerador experimental de 3 KW de capacidad que tenga como
función principal servir para la formación de recursos humanos de tal forma que estudiantes e
investigadores cuenten con un sistema que podrán usar para sus prácticas y, en con fines
experimentales sencillos.
9.- Contenido innovador
En México no se cuenta con un aerogenerador didáctico ni con un simulador didáctico de
centrales eólicas. Los productos podrían replicarse para las Instituciones de Educación Superior y
Técnicas que incluyan en sus programas la enseñanza de sistemas eólicos.
10.- Principales resultados esperados lista de entregables
•
Un aerogenerador funcional de baja potencia (3 KW) pero con la configuración, características
y modo de operación similar a los aerogeneradores del alta potencia instalados en parques
eólicos (particularmente como los instalados en las centrales eólicas del Istmo de
Tehuantepec, donde ahora hay más de 1000 unidades). El cual permitirá a estudiantes e
investigadores llevar a cabo prácticas y experimentos sencillos.
•
Sistema de simulación virtual que permita analizar y estudiar la estructura, componentes y la
operación de un aerogenerador, así como también su integración dentro de un parque eólico
y el funcionamiento que tienen todas y cada una de las instalaciones que en él se encuentren.
•
2 artículos en revista, 2 artículos en congresos, 4 tesis de licenciatura, 6 tesis de maestría
La lista de entregables asociada a cada actividad y a cada etapa se muestra en el Apéndice No. 3
11.- Metodología propuesta
Para el caso de la construcción del aerogenerador didáctico se llevara a cabo el siguiente proceso:
a) Estudio y análisis de las principales tecnologías y estructuras empleadas en la construcción de
aerogeneradores comerciales por todos los integrantes del equipo de trabajo.
b) División del trabajo. Se Dividirá el diseño y construcción de los diferentes subsistemas del
aerogenerador entre los colaboradores del proyecto de acuerdo a su especialidad, empleando
métodos de diseño modular, en los cuales queden establecidas las características generales y
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c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
los tiempos para contar con las dimensiones y parámetros definitivos de los elementos que
servirán para el acoplamiento entre componentes.
Definición conceptual. Una vez analizado el estado actual de la tecnología de los
aerogeneradores de alta potencia se definirán la estructura, componentes, elementos de
acoplamiento, parámetros iniciales de operación, etc.
Construcción del aerogenerador. Para llevar a cabo la construcción de cada uno de los
componentes, se seguirá un proceso secuencial de acuerdo a la prioridad de cada uno de los
componentes. Iniciando por la parte eléctrica, seguido de la electrónica, aerodinámica,
mecánica, y sistemas auxiliares.
Construcción de componentes. En cada uno de los componentes se seguirá un proceso de tres
pasos a partir del desarrollo conceptual. Los pasos a seguir será: Diseño, simulación,
corrección, validación con elementos de acoplamiento y construcción
Uso de herramientas computacionales disponibles para llevar a cabo el diseño, modelado y
simulación de los componentes del aerogenerador para su evaluación, definición de
parámetros de construcción y dimensiones finales. Inicialmente se analizara el uso de software
Proteus, Multisim, Labview, Matlab, Catia, Rinho, Maxwell, etc.
Una vez construido y evaluado el generador eléctrico, se procederá a verificar a diseñar y
construir la electrónica de potencia y los sistemas mecánico, aerodinámicos y de control
necesarios.
Diseño de componentes del sistema mecánico. En el caso de los componentes aerodinámicos
y mecánicos se emplearan métodos basados en elemento finito.
Para el diseño del sistema de control se utilizara elementos basados en estabilidad de sistemas
no lineales.
Integración y evaluación de componentes y equipos del aerogenerador.
Pruebas funcionales.
Para el desarrollo del sistema de simulación virtual
a) Estudio y análisis de las principales tecnologías y estructuras empleadas en la construcción de
aerogeneradores comerciales por todos los integrantes del equipo de trabajo.
b) Definición conceptual. Una vez analizado el estado actual de la tecnología de los
aerogeneradores de alta potencia se definirán la estructura, componentes, elementos de
acoplamiento, parámetros iniciales de operación, etc.
c) Selección de la plataforma a utilizar. Se analizaran los diferentes software orientados a
sistemas virtuales disponibles para seleccionar el más adecuado a nuestras
d) Programación Orientada a objetos. Se utilizara una estructura de programación orientada a
objetos, en donde cada uno de los componentes del aerogenerador y del parque eólico, será
un objeto a programar
e) Uso de moledlos matemáticos: Con el propósito de tener unos mejor desempeños del sistema
se incorporaran dentro de la simulación de los componentes los modelos matemáticos que
representen el comportamiento dinámico de los componentes.
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Infraestructura disponible: Taller de maquinado metal-mecánica (Sistema de maquinado por
control numérico), taller de carpintería, taller de cerámica (Hornos de diferentes capacidades),
taller de plásticos, laboratorios de energía solar, energía eólica, simulación, de computación,
electrónica. Estación meteorológica, cámara termográfica, baño térmico con control de
temperatura (30° y 120° C), anemómetro, aerogenerador de skytream de 3.7 KW, equipo de
medición eléctrico electrónico, 2 computadoras de escritorio PC. - 1 impresora, Tarjeta de
adquisición de datos National Instrument,y Quanser. -Software Labview-NI -Computadoras Laptop
y PC de escritorio.
12.- Cronograma de actividades
El cronograma de actividades se incluye en el Apéndice No. 1
13.- Desglose financiero
El desglose financiero se incluye en el Apéndice No. 2
14.- Justificación del gasto
Rubro 9.1
Solicitado al Fondo: Pago de ayuda para estudiantes dos de maestría y dos de licenciatura.
Concurrentes: costo de personal de UNISTMO involucrado en el proyecto. Participación en
congresos nacionales o internacionales para presentación de los resultados del proyecto
Rubro 9.2
Reuniones de trabajo para definir desarrollo y tareas del proyecto. Asistencia de profesores a
estancia en un centro de I+D+i en el extranjero. Reuniones para presentación de avances y
resultados de las actividades del proyecto.
Rubro 9.3
Adquisición de material bibliográfico para desarrollo del proyecto, Adquisición de componentes
electrónicos. Adquisición de materiales necesarios para la construcción del sistema de
transmisión y multiplicadora. Adquisición de materiales para construcción de góndola.
Rubro 9.4
Adquisición de computadora especial para simulación y realidad virtual PASCAL. Adquisición de
equipo de cómputo y plotter. Adquisición o fabricación de generador eléctrico. Adquisición de
fuente de corriente directa. Adquisición de herramientas de maquinado. Adquisición del sistema
de control PITC y YAW y sistema para generación de vacío. Adquisición de equipos para la
instalación de una torre para generador abatible.
Rubro 9.5
Pagos por servicios de asesoría, diseño, maquinado, trabajos de adaptación para instalaciones y
servicios de desarrollo de componentes o subsistemas.
Rubro 9.6
Trámite de patente del aerogenerador y registro de software.
Rubro 9.7
Pago informe de gastos auditado.
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15.- Impactos, oportunidades, caso, plan o modelo de negocios y/o mecanismos de
transferencia.
Impacto científico.
El impacto científico de este proyecto consiste en dotar por primera vez en la historia de México a
una institución de educación superior con un aerogenerador didáctico que sirva de apoyo a la
formación de recursos humanos y que sirva como medio para realizar prácticas y experimentos
sencillos. La plataforma virtual para simulación de parques eólicos tendrá impactos similares.
Asimismo, el impacto no solo está relacionado con el uso que se le va a dar al producto sino que
habrá un aprendizaje y asimilación de conocimiento en el proceso de diseño, fabricación,
construcción y pruebas. En este sentido también lo más relevante será la formación y el desarrollo
de capacidades de los investigadores involucrados en el diseño, construcción y pruebas de la
máquina de tal forma que esta experiencia les ayudará a prepararse para emprender retos
mayores ya sea con propósitos didácticos, experimentales o para, en el futuro cercano, emprender
el desarrollo de paquetes tecnológicos transferibles.
El proyecto contenido en la presente propuesta se contempla tendrá impactos de tipo científico,
tecnológico, social y ambiental. En el aspecto científico se contará con equipos para hacer
evaluación experimental de nuevos diseños y configuraciones asociadas a parques eólicos. En la
parte tecnológica, se desarrollará un modelos de equipos con tecnología nacional y se hará un
estudio de los equipos de baja potencia y uso y aprovechamiento de fuentes renovables de
energía. Socialmente, se contará con instalaciones que permitirán a estudiantes tener una mejor
capacitación.
El aerogenerador didáctico será exhibido en congresos y reuniones técnicas nacionales con el fin
de que sean conocidos por la comunidad científica e industrial, así como de la sociedad en general.
El desarrollo del presente proyecto servirá como elemento fortalecedor de la red de investigación
y desarrollo tecnológico que lo respalda constituida por instituciones del interior del país con
fuerte tradición y prestigio dentro de los ámbitos académicos y de vinculación, de tal suerte que
también contribuirá al desarrollo de proyectos posteriores enfocados en las mismas líneas de
investigación para el desarrollo de viviendas sustentables en nuestro país con todos los beneficios
que ello conlleva.
Mecanismo de transferencia.
Tanto el desarrollo como los resultados del proyecto se promoverán en congresos y foros
nacionales, así como en publicaciones. El desarrollo se promoveré a través de los sitios Web del
CEMIE-Eólico y el de UNISTMO. El aerogenerador será usado como elemento didáctico y de
prácticas para la Meastría en Ciencias de la Energía Eólica de UNISTMO. Se epera que con la
promoción otras instituciones educativas se interesen en algo similar, principalmente otras
instituciones de educación del Sureste de México.