FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
DISEÑO DE UN AEROGENERADOR QUE PERMITA GENERAR ENERGIA
ELECTRICA EN EL COLEGIO OFELIA URIBE DE ACOSTA
COMUNIDAD DE YOMASA
AÑO 2016 - 3
ELABORADO POR:
MILENA MOLINA GALINDO
BOGOTÁ, D. C., NOVIEMBRE 24 DE 2016
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
DISEÑO DE UN AEROGENERADOR QUE PERMITA GENERAR ENERGIA
ELECTRICA EN EL COLEGIO OFELIA URIBE DE ACOSTA
COMUNIDAD DE YOMASA
AÑO 2016 - 3
ELABORADO POR:
MILENA MOLINA GALINDO
BOGOTÁ, D. C., NOVIEMBRE 24 DE 2016
NOTA DE ACEPTACION
JURADOS
BOGOTÁ, D. C., NOVIEMBRE 24 DE 2016
A mis padres, que me dieron todo el apoyo, cariño y
sacrificio para seguir adelante con mi carrera
universitaria, en especial a mi padre que siempre ha
estado conmigo y me ha enseñado a ser trabajadora y a
luchar en la vida.
A mis hermanas y abuela, por su apoyo incondicional,
amor y amistad.
A mi esposo, por su comprensión, amor, apoyo, amistad
y por la paciencia que me ha tenido en estos últimos
semestres que culmino mi carrera universitaria.
A mi hijo, que es el motor que me impulsa hacer mejor
cada día, a levantarme cada vez que caigo, a tener una
visión apropiada para el futuro de nuestra familia y por
hacer de mí una mejor persona y un buen ejemplo para
él.
AGRADECIMIENTOS
A Dios, porque a pesar de todas las dificultades y obstáculos que he
atravesado me dio la fuerza suficiente para levantarme en mi día a día y
luchar para poder ser una mejor persona y mejor estudiante para poder
terminar mi pregrado.
A mis Padres, porque sin ellos ni su apoyo no sería posible este logro.
A mi esposo y mi hijo, por el apoyo y la paciencia que me han tenido en
estos últimos semestres.
TABLA DE CONTENIDO
7.
1.
TÍTULO ............................................................................................................................. 18
2.
ALTERNATIVA ................................................................................................................ 18
3.
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN ........................................................................................... 18
4.
EJE TEMÁTICO ............................................................................................................... 18
5.
INTRODUCCIÓN. ............................................................................................................. 19
6.
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN. ........................................................................... 20
PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ............................................. 21
OBJETIVOS ..................................................................................................................... 22
8.
8.1.
8.2.
ALCANCES Y LIMITACIONES ....................................................................................... 23
9.
15.
GENERAL................................................................................................................. 22
ESPECIFICO ............................................................................................................ 22
10.
METODOLOGÍA........................................................................................................... 24
11.
CROGRAMA DE ACTIVIDADES ................................................................................. 25
12.
PRODUCTOS A ENTREGAR ...................................................................................... 26
13.
INSTALACIONES Y EQUIPO REQUERIDO ............................................................... 27
14.
PRESUPUESTO DEL TRABAJO Y RECURSOS FINANCIEROS ............................. 28
ESTRATEGIAS DE COMUNICACIÓN Y DIVULGACIÓN .......................................... 29
16.
MARCO DE REFERENCIA .......................................................................................... 30
16.1.
MARCO TEÓRICO ............................................................................................... 30
16.1.1. HISTORIA DEL USO DEL VIENTO ................................................................. 30
16.1.2. AEROGENERADOR ......................................................................................... 36
16.1.2.1.
16.1.2.2.
Consideraciones básicas de carga .................................................................... 37
Cargas de fatiga .................................................................................................. 37
16.1.3.
16.1.4.
17.
MARCO CONCEPTUAL .............................................................................................. 48
17.1.
17.2.
17.3.
18.
GENERACIÓN ENERGÍA EÓLICA ...................................................................... 48
CONVERSION DE LA ENERGIA EOLICA EN ENERGIA ELECTRICA .................. 52
FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS EÓLICAS ........................................... 53
CONDICIONES DEL VIENTO EN EL COLEGIO OFELIA URIBE .............................. 66
18.1.
19.
TIPOS DE AEROGENERADORES .................................................................. 38
ENERGÍA EÓLICA EN COLOMBIA ................................................................. 41
AFORO DEL VIENTO ........................................................................................... 66
TOPOGRAFÍA .............................................................................................................. 72
19.1.
DESCRIPCION ..................................................................................................... 72
19.2.
METODOLOGIA ................................................................................................... 72
19.3.
RESULTADOS ..................................................................................................... 73
19.3.1. LOCALIZACION DEL PROYECTO ................................................................. 73
19.4.
ANALISIS DE RESULTADOS .............................................................................. 73
19.5.
REGISTRO FOTOGRAFICO ................................................................................ 75
19.6.
PLANO TOPOGRAFICO ...................................................................................... 80
20.
ESTUDIO DE SUELOS ................................................................................................ 81
20.1.
DESCRIPCION ..................................................................................................... 81
20.2.
SONDEO Y CARACTERISTICAS DEL SUELO ................................................... 81
20.2.1. DESCRIPCION DEL SUELO ............................................................................ 81
21.
DISEÑO DE UN AEROGENERADOR SAVONIUS DE 200 WATTS .......................... 85
21.1.
CONDICIONES EXTERNAS ................................................................................ 85
21.1.1. CONDICIONES AMBIENTALES ...................................................................... 85
21.1.1.1.
Calculo de la densidad del aire .......................................................................... 85
21.1.2. CONDICIONES INTERNAS.............................................................................. 87
21.2.
DISEÑO DEL ROTOR........................................................................................... 88
21.2.1. ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN LAS PALAS ................................................. 88
21.3.
DISEÑO DEL EJE PRINCIPAL ............................................................................ 93
21.4.
PERNOS SOMETIDOS A TRACCION ....................................................................... 96
21.5.
SISTEMA DE TRANSMISION .............................................................................. 97
21.6.
EQUIPOS .............................................................................................................. 98
21.6.1. Motor................................................................................................................. 98
21.6.2. Regulador ....................................................................................................... 100
21.6.3. Batería ............................................................................................................ 100
21.7.
PRESUPUESTO ..................................................................................................... 103
21.8.
SEGURIDAD EN EL AEROGENERADOR ........................................................ 103
22.
CONCLUSIONES ....................................................................................................... 105
23.
RECOMENDACIONES .............................................................................................. 106
24.
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 107
25.
FIRMAS ...................................................................................................................... 108
26.
ANEXOS ..................................................................................................................... 109
LISTA DE ILUSTRACIONES
ILUSTRACIÓN 16-1: MOLINO PERSA AÑO 7 D. C. ............................................................................ 30
Ilustración 16-2: Primer Aerogenerador – Siglo XIX ....................................................................... 33
Ilustración 16-3: Los aerogeneradores de la Cour Dos de sus aerogeneradores de prueba en 1897
en el instituto de Askov Folk, Askov (Dinamarca) .......................................................................... 33
Ilustración 16-4: AEROGENERADOR SAVONIUS ............................................................................ 35
Ilustración 16-5: Componentes de un Aerogenerador................................................................... 37
Ilustración 16-6: Aerogeneradores de eje Horizontal .................................................................... 38
Ilustración 16-7: Aerogenerador Tri Pala o Danés ......................................................................... 39
Ilustración 16-8 Aerogenerador eje horizontal .............................................................................. 40
Ilustración 16-9: Potencia eólica instalada en Latinoamérica en MW por países a finales de 2010.
........................................................................................................................................................47
Ilustración 17-1: Partes de un Aerogenerador ............................................................................... 48
Ilustración 17-2: Turbina eólica Whisper H175 de 3 kilowatts, se encuentra instalada en una
torre de 50 pies, conectada a la red para compensar el suministro de energía de la red
convencional. ................................................................................................................................. 54
Ilustración 17-3: Comportamiento del viento ................................................................................ 56
Ilustración 17-4: Velocidad Tangencial vs Coeficiente de Potencia ............................................... 56
Ilustración 17-5: Obstrucción del viento ........................................................................................ 58
Ilustración 17-6: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA...................................... 58
Ilustración 17-7: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA...................................... 59
Ilustración 17-8: Parte más alta del colegio Ofelia Uribe Acosta ................................................... 59
Ilustración 17-9: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA...................................... 59
ILUSTRACIÓN 17-10: UBICACIÓN DEL AEROGENERADOR EN EL COLEGIO .................................... 60
Ilustración 17-11: Viento más probable en Colombia (Bogotá). .................................................... 61
Ilustración 17-12: Periodo de retorno de la velocidad máxima en Colombia (Bogotá). ................ 62
Ilustración 17-13: Densidad del Aire en Colombia (Bogotá). ......................................................... 62
Ilustración 17-14: Tiempo en Usme – Octubre de 2016 ................................................................ 63
Ilustración 17-15: Tiempo en Useme – Octubre de 2016 .............................................................. 64
Ilustración 17-16: Rosa de vientos en Bogota ................................................................................ 65
Ilustración 17-17: Localización Colegio Ofelia Uribe ...................................................................... 65
Ilustración 18-1 Aforo del Viento ................................................................................................... 67
Ilustración 18-2 Proyección velocidad del viento .......................................................................... 71
Ilustración 19-1 Localización .......................................................................................................... 73
Ilustración 19-2 Perfil longitudinal Topográfico ............................................................................. 74
Ilustración 19-3 Perfil Punto 1 K 0+020.0
Ilustración 19-4 Perfil Punto 2 K0+090,00 ..... 75
Ilustración 19-5 Ubicación de los puntos 1 y 2............................................................................... 75
Ilustración 19-6 Armado estación .................................................................................................. 76
Ilustración 19-7 Puntos 1 y 2 .......................................................................................................... 76
ILUSTRACIÓN 19-8 UBICACIÓN APIQUE ................................................................................................................. 77
ILUSTRACIÓN 19-9 TALUD DETRÁS DE LAS AULAS .................................................................................................. 77
Ilustración 19-10 Cuneta en concreto ............................................................................................ 78
Ilustración 19-11 Canal................................................................................................................... 78
Ilustración 19-12 Talud Punto 2 ..................................................................................................... 79
Ilustración 19-13 Zona árboles ....................................................................................................... 79
Ilustración 20-1 Sondeo
Ilustración 20-2 Sondeo 2 metros ... 82
Ilustración 20-3 Contenido de humedad M1 ................................................................................. 83
Ilustración 20-4 Contenido de humedad M2 ................................................................................. 83
Ilustración 20-5 Granulometría ...................................................................................................... 84
Ilustración 21-1: Dimensiones de las palas .................................................................................... 89
Ilustración 21-2: Acción del viento sobre las palas ........................................................................ 89
Ilustración 21-3 Calculo masa de una pala ..................................................................................... 90
Cp= descrita de en la lustración 21-4 Velocidad Tangencial vs Coeficiente de Potencia=
0.19 ....................................................................................................................................92
Ilustración 21-5: Unión de las palas ............................................................................................... 93
Ilustración 21-6 Calculo Fuerza ejercida en el eje y del eje central................................................ 94
Ilustración 21-7 Calculo de la columna eje central......................................................................... 95
Ilustración 21-8 Calculo del peso que debe soportar el eje central ............................................... 95
Ilustraciòn 21-9: Amp Flow M27-150-P Brushed Electric Motor, 150W, 24V or 36 VDC, 3800 rpm
........................................................................................................................................................98
Ilustración 21-10: CURVAS DEL RENDIMIENTO DEL MOTOR ......................................................... 99
Ilustración 21-11: CARACTERÍSTICAS MOTOR ................................................................................ 99
Ilustración 21-12: BATERIA UCG75-12 ......................................................................................... 100
Ilustración 21-13: CARACTERISTICAS DE BATERIA........................................................................ 100
Ilustración 21-14: GRAFICAS SEGÚN CARACTERÍSTICAS .............................................................. 101
GLOSARIO
AEROGENERADOR: Dispositivo mediante el cual se puede llevar a cabo la
captación de la energía eólica para transformarla en alguna otra forma de
energía. Unidad constituida por un generador eléctrico unido a un aeromotor
que se mueve por impulso del viento.
CENTRAL EÓLICA: Instalación en la que se produce electricidad a partir del
viento.
ENERGÍA: Propiedad de los cuerpos que se manifiesta por su capacidad de
realizar un cambio (de posición o de cualquier otro tipo).
ENERGÍA PRIMARIA: Fuente de energía natural existente en la Naturaleza,
como el carbón, el petróleo, el gas natural, el sol, agua almacenada o en
movimiento, las mareas, el viento, el uranio, calor almacenado en la tierra
(geotermia), etc. Después de su transformación, la energía primaria produce
energía intermedia (gasolina, carbón, electricidad, etc.).
ENERGÍAS RENOVABLES: Son aquellas que se producen de forma
continua y son inagotables a escala humana. El sol está en el origen de
todas ellas porque su calor provoca en la Tierra las diferencias de presión
que dan origen a los vientos, fuente de la energía eólica.
El sol ordena el ciclo del agua, causa la evaporación que provoca la
formación de nubes y, por tanto, las lluvias. También del sol procede la
energía hidráulica.
Las plantas se sirven del sol para realizar la fotosíntesis, vivir y crecer. Toda
esa materia vegetal es la biomasa.
Por último, el sol se aprovecha directamente en las energías solares, tanto la
térmica como la fotovoltaica.
EÓLICA: La energía eólica es la energía producida por el viento. Como la
mayor parte de las energías renovables, la eólica tiene su origen en el sol, ya
que entre el 1 y el 2% de la energía proveniente del sol se convierte en
viento, debido al movimiento del aire ocasionado por el desigual
calentamiento de la superficie terrestre. Excluyendo las áreas con valor
ambiental, esto supone un potencial de energía eólica de 53 TWh/año, cinco
veces más que el actual consumo eléctrico en el mundo. Por tanto, en teoría,
la energía eólica permitiría atender sobradamente las necesidades
energéticas del mundo.
KILOWATT – HORA: Unidad de energía utilizada principalmente para
medir energía eléctrica. kWh= 1.000 Wh (ver Wh)
MWh: Megawatts hora. Equivale a 1.000.000 Wh (ver Wh).
POTENCIA: Variación de la energía intercambiada con el tiempo. La unidad
de potencia es el vatio (W). 1 W = 1 J/s.
POTENCIA ELECTRICA: Es la tasa de producción, transmisión o utilización
de energía eléctrica, generalmente expresada en Watts (W). Dicho de otra
forma, es el trabajo necesario para que la energía sea consumida en una
unidad de tiempo.
PRESION ADMOSFERICA: Fuerza que ejerce la columna de aire sobre una
superficie.
PRODUCCION BRUTA DE ENERGETICOS: Es un valor porcentual que
hace referencia a la cantidad de energía total producida durante un año, a
través de las diversas fuentes energéticas.
PROPANO: Hidrocarburo alcano (C3H8). Se usa principalmente como
combustible, aerosoles y gas refrigerante.
RADIACION: Proceso de transferencia de calor que se establece entre
cuerpos a diferente temperatura mediante emisión de fotones o transmisión
de ondas electromagnéticas
RADIACION SOLAR: Es el conjunto de radiaciones electromagnéticas
emitidas por el Sol.
TURBA: Es un tipo de carbón de baja calidad. Está compuesto por un 55%
de carbono y se caracteriza por su capacidad de retener aguas.
TURBINA: Motor rotativo por donde pasa un fluido. Este motor capta
la energía del fluido a través de un rotor con palas, hélice o cubos colocados
alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento
produce una fuerza que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía luego
se convierte en energía mecánica que luego se transfiere a través de un eje
para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor,
un generador eléctrico o una hélice
VELETA: Es un dispositivo giratorio que indica la dirección del viento. Está
compuesto por un señalador y algunos también poseen una cruz con los
puntos cardinales.
VENTEO: Consiste en la quema del gas licuado de petróleo, a través de una
antorcha, inicialmente por no conocer el potencial de su uso y actualmente
por motivos de seguridad.
VOLTAJE: Corresponde a la diferencia de potencial eléctrico que se genera
entre dos puntos de un conductor.
W: Un watt (W) o vatio es la unidad con la que se mide la potencia del
Sistema Internacional de Unidades. Si son de poca potencia, la potencia
eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en watts, pero si son de
mediana o gran potencia se expresa en kilowatts (kW) que equivale a 1.000
watts; Megawatts (MW) que equivale a 1.000.000 watts; Gigawatts (GW) que
equivale a 1.000.000.000 watts, y Terawatts (TW) que equivale a
1.000.000.000.000 watts.
Wh: El watt-hora, simbolizado Wh, es una unidad de energía expresada en
forma de unidades de potencia por tiempo, con lo que se da a entender que
la cantidad de energía de la que se habla es capaz de producir y sustentar
una cierta potencia durante un determinado tiempo. Así, un watt-hora es la
energía necesaria para mantener una potencia constante de un watt (1 W)
durante una hora.
RESUMEN
El siguiente proyecto se desarrolla en la etapa de factibilidad y diseños
donde se describe el cálculo y el diseño de un aerogenerador prototipo de
eje vertical tipo Savonius aplicable para la generación de energía en un aula
de clase para el Colegio Ofelia Uribe ubicado en la Localidad de Usme Yomasa, aprovechando la energía del viento.
El objeto de este proyecto es proporcionar toda la información necesaria para
la construcción e instalación de un aerogenerador de este tipo en una
comunidad concretamente en la comunidad de Yomasa. Si dicho proyecto
resulta eficiente podrían llegar a instalarse aerogeneradores de estas
características en otras comunidades rurales para cubrir así las necesidades
energéticas de éstas.
Este proyecto se enmarca dentro del programa de Practica Social de la
Universidad Católica de Colombia y la comunidad de Yomasa.
En la primera parte se estudia la situación energética a nivel general
centrándose en el caso de Sudamérica y poniendo especial atención al caso
de Colombia.
A continuación, se realizó un análisis detallado del lugar donde va a
desarrollarse el primer prototipo del aerogenerador, se hace un estudio
completo del recurso eólico de la zona, gracias a datos proporcionados por el
IDEAM y en diferentes páginas de información.
El tipo de viento encontrado en la zona permite que se desarrolle dentro de lo
posible el aerogenerador, es de aclarar que se diseña un aerogenerador de
200 watts.
Se determina el número palas necesarias para cubrir dicha demanda,
posteriormente, se realizan los cálculos necesarios y se explica el diseño del
Aerogenerador propuesto, así como todos sus componentes (palas, eje,
generador eléctrico, sistema de transmisión y estructura).
1. TÍTULO.
Apoyo técnico para el diseño de un aerogenerador fuente
de energía renovable, con el fin de implementar un diseño que
permita generar energía eléctrica en el colegio Ofelia Uribe de
Acosta.
2.
ALTERNATIVA
Práctica Social
3.
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
Saneamiento de comunidades
4. EJE TEMÁTICO.
Energía eólica como mecanismo de generación de energía en el colegio
Ofelia Uribe de Acosta.
18
5. INTRODUCCIÓN.
La energía eólica es independiente de cualquier política o relación
comercial, se obtiene en forma mecánica y por tanto es directamente
utilizable. Su transformación en electricidad se realiza con un rendimiento
excelente, muy superior al de aparatos termodinámicos.
La energía eólica como energía limpia es una de las fuentes más
económicas, puede competir en rentabilidad con otras fuentes
energéticas tradicionales.
La contaminación ambiental es mínima, cero monóxidos y bióxidos, es
decir no contribuye a desmejorar la capa de ozono. Es una energía
renovable. Está disponible por millones de años, ya que su fuente es el
Sol, siendo este el motor en la producción de lluvias y vientos. Es la
solución más razonable para viviendas aisladas.
Los aerogeneradores por muchos años han sido estudiados y
modificados con nuevas tecnologías que han contribuido a la
transformación de energía mecánica a eléctrica.
En este proyecto se realizó según la zona de estudio (Colegio Ofelia
Uribe) la opción más conveniente para la creación de energía, teniendo
en cuenta el fuerte viento que se da en la localidad de Usme por estar
ubicada en los cerros del sur de la ciudad de Bogotá. Dando un
aprovechamiento al máximo de este beneficio climático y geográfico.
La primera parte de esta investigación sirve como introducción a los
conceptos básicos relacionados con la energía eólica y la segunda parte
se describe la forma de los componentes fundamentales de los
aerogeneradores y la implementación de un tipo adecuado para la zona.
En este proyecto se realizó un diseño adaptable a las condiciones del
campo donde se llevará a cabo la implementación del aerogenerador
teniendo en cuenta variables como materiales, alturas, viento, ubicación,
suelo donde se cimentará el aerogenerador y área que se desea iluminar
con este sistema de energía limpia.
19
6. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN.
La consecución de nuevas tecnologías de energías limpias sostenibles y
debidas al aumento del consumo de los recursos no renovables, se debe
implementar el uso de recursos de energías alternativas.
La energía eólica no genera residuos ni contaminación del agua, un factor
importantísimo teniendo en cuenta la escasez de agua.
A diferencia de los combustibles fósiles y las centrales nucleares, la
energía eólica tiene una de las huellas de consumo de agua más bajas, lo
que la convierte en clave para la preservación de los recursos hídricos.
En Colombia se construyó el parque Eólico Jepirachi ubicado en la región
nororiental de la Costa Atlántica colombiana, entre las localidades del
Cabo de la Vela y Puerto Bolívar, tiene una capacidad instalada de 19,5
MW de potencia nominal, con 15 aerogeneradores de 1,3 MW cada uno,
sometidos a los vientos alisios que soplan casi todo el año en esta parte
de la península, a un promedio de 9,8 metros por segundo.
El parque entro en funcionamiento el 19 de abril de 2004, y hace parte de
un programa mayor para el aprovechamiento de la energía eólica en la
Alta Guajira, está registrado como Mecanismo de Desarrollo Limpio
(MDL) por la Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio
Climático, fue uno de los primeros proyectos MDL firmados en el país y
uno de los primeros en todo el mundo.
Con este proyecto de grado se pretende contribuir a la comunidad de
Yomasa a fortalecer la autonomía y desarrollo de propuestas sustentables
como lo es este tipo de energía renovable e incentivar a la comunidad
estudiantil en este caso el grupo de semilleros, para que tomen la
iniciativa y el interés de realizar por medio de la investigación actividades
en pro de su comunidad, obteniendo resultados viables como lo es este
tipo de generación de energía renovable.
20
7. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
El creciente deterioro de los ecosistemas y la afectación negativa,
producto del aprovechamiento de los recursos naturales nos ha llevado a
un escenario de degradación ambiental; esta problemática se evidencia
en el día a día, mediante el continuo consumo de energías no renovables,
producto de las necesidades del hombre.
En Colombia hay muchos sectores especialmente en aquellos que se
encuentran en las afueras de la ciudad, pocas personas conocen
completamente el concepto de energía limpia o alternativa, lo que sin
duda retrasa el proceso nacional de cambio hacia el uso de tipos de
energías renovables, ya sea cambio de mentalidad acerca del tema o un
cambio de hecho, la investigación e implementación de tecnologías y
prácticas que la aprovechen.
Implementar un modelo, informar acerca de este tipo de energía o de
temas es fundamental para la humanidad y es sin duda la solución al
problema para que las personas de toda índole busquen un cambio en
beneficio de la comunidad, para que con ello se den cuenta de los
beneficios y construyan equipos apropiados de cualquier tamaño y costo
que aprovechen la fuente de energía alternativa para el beneficio de su
comunidad la cual podría no depender del sistema interconectado
nacional de energía eléctrica.
En virtud de lo expuesto se establece la siguiente problemática a
desarrollar: “en el país se carece de profundos cambios para la
generación de energías limpias”.
Por lo tanto el interrogante a resolver con el presente proyecto es:
¿Es viable y sustentable desde la ingeniería, generar energía eólica
mediante un modelo de diseño para el Colegio Ofelia Uribe?
21
8. OBJETIVOS
8.1.
GENERAL
Desarrollar un modelo de diseño de un aerogenerador eólico, para
el Colegio Ofelia Uribe, como apoyo académico desde la práctica social
en el proyecto institucional Yomasa.
8.2.
ESPECIFICO
Realizar el estudio de vientos para la viabilidad del aerogenerador
en el colegio.
Establecer por medio del trabajo topográfico la mejor área de
utilización para construir el modelo eólico.
Entregar planos record de diseño y presupuesto para la
construcción y montaje del aerogenerador eólico.
22
9.
9.1.
ALCANCES Y LIMITACIONES.
ALCANCES
El alcance del presente proyecto es desarrollar los diseños básicos para
un aerogenerador que permita la utilización de energía eólica y la
convierta en eléctrica para ser utilizada en un área específica del Colegio
Ofelia Uribe.
9.2.
LIMITACIONES
Recursos y uso del suelo.
Tiempo en virtud de la investigación a desarrollar.
23
10.
METODOLOGÍA
Para iniciar el desarrollo de la practica social se da a conocer
algunas de las principales características del viento que se
presenta en la zona, que conforma el territorio Colombiano, lo que
nos permite identificar y reconocer el tipo de generador que se
empleara.
La segunda fase del trabajo se llevará a cabo con él apoyó de
investigaciones documentales, analizando la información de los
artículos aportados por los diferentes autores, acerca los tipos de
la obtención de la energía eólica en el territorio nacional, así como
las ventajas y desventajas de los sistemas utilizados para ello.
Se realizan estudios base para la viabilidad del proyecto, tales
como estudio de vientos, topografía para identificar el punto más
favorable de vientos ubicado en el colegio, y realizar el estudio de
suelos para verificar la capacidad portante del suelo.
Para la tercera etapa se indaga sobre el proceso de fabricación de
los aerogeneradores, lo cual involucra la descripción, operación,
mantenimiento, material uso y desarrollo del mismo, hasta la
transformación e implementación y puesta en marcha del
aerogenerador. Se estudiará las propiedades mecánicas, físicas,
presentación del producto y los enormes beneficios que aporta a
los la comunidad y el proceso positivo al impacto ambiental.
24
11.
CROGRAMA DE ACTIVIDADES
Cuadro de fechas y actividades a desarrollar
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ENERGÍA EÓLICA COMO MECANISMO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA EN EL COLEGIO OFELIA URIBE DE ACOSTA
ACTIVIDAD
JULI
O
Sem1
Entrega anteproyecto a la
29
facultad
Entrega de correscciones
del anteproyecto a la
facultad
Busqueda de Informacion,
e investigacion
Presentacion de avances a
director de Proyecto
AGOSTO
Sem 2
Sem3
SEPTIEMBRE
Sem4 Sem5
Sem6
Sem7
Sem8
Elaboracion de documento
para El Proyecto de Grado
NOVIEMBRE
Sem9 Sem10 Sem11 Sem12 Sem13 Sem14 Sem15 Sem16
15
15-16
15-16 21-22 29-30 3-7
21
Estudio de vientos
Estudio Topografico
Estudio de suelos
Visita tecnica en el area
donde se implementara el
Aerogenerador para
Energia Eólica
OCTUBRE
25
2
9-12 14-18
9
9-12
20
9
8-9 15-16 20-25
Elaboracion de articulo tipo
revista y poster
Socializacion y entrega
final del proyecto
6-7 13-14 20-21 27-28 3-4 7-11
7-11
22-24
25
12.
TIPO
DOCUMENTO
PRODUCTOS A ENTREGAR.
PRODUCTOS A ENTREGAR
Nombre del producto
Fecal de entrega
29 de julio del
ANTEPROYECTO.
2016
DOCUMENTO
PROYECTO
02 de Noviembre de
2016
DIVULGACION
ARTICULO
24 de Noviembre de
2016
DIVULGACION
POSTER
24 de Noviembre de
2016
26
13.
INSTALACIONES Y EQUIPO REQUERIDO
Para realización de esta investigación se requiere el uso de las salas de
informática de la Universidad que tenga conexión a internet, y la consulta
de varios textos en la biblioteca que permitan la obtención de buenas
referencias, todo esto con el propósito de tener una investigación
confiable y apropiada para conseguir el principal objetivo de este
documento.
27
14.
PRESUPUESTO DEL TRABAJO Y RECURSOS FINANCIEROS.
PRESUPUESTO GLOBAL DEL ANTEPROYECTO
INGRESOS
Ingresos
Auxilio o patrocinio para la elaboración
del trabajo.
Recurso propio (s)
450.000
Egresos
Recurso Humano –Honorarios y
servicios personalesEquipo (Se debe especificar el tipo de
equipo que se va a utilizar y detallar si
es en arriendo, compra…)
Materiales (pueden enlistarse por
categoría, p.e. papelería, suministros,
fotografías, etc…)
Viajes (transporte)
Pruebas de laboratorio
Imprevistos
Totales
450.000
28
EGRESOS
200.000
60.000
20.000
70.000
20.000
370.000
15.
ESTRATEGIAS DE COMUNICACIÓN Y DIVULGACIÓN
Las estrategias de comunicación y divulgación de este proyecto de
investigación serán promovidas por medio de un artículo en el cual se
presentará el resumen de todo el documento y explicación de la temática
a presentar en el trabajo final.
Este proyecto final se dará a conocer a todos los docentes,
administrativos y estudiantes al final del periodo académico, con su
respectiva ponencia, poster y documentos a entregar.
También se presentará ante la comunidad con la que se trabajará durante
el periodo 2016-3 y los semilleros de investigación del colegio Ofelia
Uribe.
29
16. MARCO DE REFERENCIA
16.1. MARCO TEÓRICO.
16.1.1.
HISTORIA DEL USO DEL VIENTO.
El viento es una fuente de energía limpia, gratuita e inagotable. Ha sido
ocupada desde hace siglos para navegar, mover molinos, moler trigo o
bombear agua.
Ya en las civilizaciones sumerias o egipcias, el viento estaba presente no
solo en la vida real, sino en toda clase de historias, leyendas o mitos. Las
culturas más antiguas aprovechaban su fuerza para desplazarse
mediante el uso de velas en los barcos. De todos es sabida la importancia
del comercio en Egipto, por ejemplo, donde tuvo un gran apogeo el
comercio fluvial que se desenvolvía en el río Nilo. Los griegos asociaban
el viento junto a los otros elementos que dieron origen al mundo, fuego y
agua, al uso de los dioses. Sus leyendas consideraban que las fuerzas de
la naturaleza no podían ser controladas por el hombre, por lo que hubo
cierto desinterés a la hora de aprovecharse de él.
Sin embargo, en las culturas orientales esto no sucedía y de allí viene la
primera noticia del uso del viento mediante un molino. Viene de la
civilización Persa en el 7 d.C. con un molino de eje vertical usado para la
molienda y el bombeo de agua tal como se ve en la Ilustración 8-1.1
ILUSTRACIÓN 16-1: MOLINO PERSA AÑO 7 D. C.
FUENTE: ONI.ESCUELAS.EDU.AR
1
ENERGIAS RENOVABLES {en línea} {julio
http//www.renovable.com/historia-energia-renovable.
30
13
de
2016}
disponible
en:
Además de emplearse para el riego y moler el grano, los molinos
construidos
entre los siglos XV y XIX tenían otras aplicaciones, como el bombeo de
agua en tierras bajo el nivel del mar, aserradores de madera, fábricas de
papel, prensado de semillas para producir aceite, así como para triturar
todo tipo de materiales.
En el siglo XIX se llegaron a construir unos 9.000 molinos en Holanda.
Ver Ilustracion 8-2.
El avance más importante fue la introducción del abanico de aspas,
inventado en 1745, que giraba impulsado por el viento. En 1772 se
introdujo el aspa con resortes. Este tipo de aspa consiste en unas
cerraduras de madera que se controlan de forma manual o automática, a
fin de mantener una velocidad de giro constante en caso de vientos
variables.
Otros avances importantes han sido los frenos hidráulicos para detener el
movimiento de las aspas y la utilización de aspas aerodinámicas en forma
de hélice, que incrementan el rendimiento de los molinos con vientos
débiles. 2
ILUSTRACIÓN 16-2: MOLINO DE HOLANDA SIGLO XIX.
FUENTE: ONI.ESCUELAS.EDU.AR
Posteriormente, en el siglo IX los hermanos Banu Musa citan a los
molinos en el "Libro de los Ingenieros Mecánicos". También los geógrafos
árabes Al-Tabri y Al-Masudi mencionan que los molinos son utilizados con
una doble función, como molinos harineros y como molinos de agua. El
mecanismo de estos molinos constaba de un eje vertical, al igual que los
2
Ibid.,p.20.
31
molinos hidráulicos usados en Italia.3
Los autores árabes explican que comenzaron a construir molinos, gracias
a las explicaciones que traían los esclavos de Oriente. La importancia del
invento y la utilización por parte de los árabes hace que sean ellos los
introductores del invento en España. Los ingenieros islámicos también
son los creadores de los molinos de eje horizontal por la necesidad de
adaptar las máquinas de eje vertical al bombeo del agua, debido a que
este sistema no necesita variar la fuerza motriz con engranajes.
Estos molinos a vela siguen la estela de las conquistas que realiza el
Islam, por todo el Mediterráneo, y por el Este hasta la India y la China. Su
principal ocupación era moler la caña de azúcar.
Pero las culturas islámicas no son las únicas que conocen los molinos,
parece ser, que los chinos, en el año 1655, según documenta Wowles,
utilizaban unos molinos de viento con ejes verticales que se parecen a los
hidráulicos.
Algunos historiadores sostienen, entre ellos el español Julio Caro Baroja,
que estos aparatos, que reciben el nombre de panémonas y se usaban
para bombear el agua en las salinas, son el precedente de los molinos
persas. Pero fue a partir de la Revolución Industrial cuando el molino
comienza a coger importancia.
En esta época se empieza a usar de forma masiva el vapor y los
combustibles fósiles como fuentes de energía motriz; además de la
aparición de la electricidad. Por este consumo indiscriminado se produce
un aumento de la contaminación y empiezan a aparecer las ideas de
ahorro (el viento es gratis) y la limpieza del planeta. En la segunda mitad
del siglo XIX aparece el primer molino propiamente dicho, el denominado
"multipala americano". Fue creado por Charles Brush en los años 18861887. Se trataba de una turbina eólica de 12 kW, cuya energía se
almacenaba en 12 baterías. Esta turbina funcionó durante 20 años, y era
un gigante de 17 metros de altura y 144 palas, como se puede ver en la
Ilustración 8-2. 4
3
CERECEDA T.,E.K. (2008). Energia, electricidad en el mundo que avanza. Pontificia Universidad
Catolica de Chile.
4
ENERGIAS RENOVABLES,Op cit.p.21.
32
ILUSTRACIÓN 16-2: PRIMER AEROGENERADOR – SIGLO XIX.
FUENTE: ENERGIAEOLICAPARATODOSLOSPUBLICOS.BLOGSPOT.COM.CO
Aunque no el primero, decisivo es el trabajo de Paul la Cour de
Dinamarca quien diseño un túnel de viento para realizar primeros pruebas
científicas.
El descubrió que pocas y delgadas alas son más eficiente para generar
electricidad y así es considerado padre de los aerogeneradores modernos
(figura 4). En 1891 construyó su primer aerogenerador para la luz de una
escuela, pero, en vez de cargar baterías, produjó hidrógeno para
almacenar la energía. En los años 20 y 30 del último siglo se realizó una
serie de importantes investigaciones y desarrollos. Albert Betz, profesor
de la Universidad de Göttingen (Alemania), estableció en 1929, con su
trabajo teórico, la Ley de Betz, comprobando que el máximo que se
puede ganar de la energía eólica disponible es de 59.3% (actualmente,
las turbinas más modernas y eficientes superan ligeramente el 50%).5
ILUSTRACIÓN 16-3: LOS AEROGENERADORES DE LA COUR DOS DE SUS AEROGENERADORES DE PRUEBA EN
1897 EN EL INSTITUTO DE ASKOV FOLK, ASKOV (DINAMARCA).
FUENTE: ENERGIAEOLICAPARATODOSLOSPUBLICOS.BLOGSPOT.COM.CO
5
ENERGIAS RENOVABLES, Op cit.p.20,21,22.
33
Siguiendo la idea de Paul la Cour se empiezan a desarrollar
aerogeneradores con una pala y contrapeso, dos palas, tres palas y
cuatro palas. Actualmente predominan los molinos tripalas.
Estos aerogeneradores giran más rápidamente que los multipalas
americanos, lo que constituye una ventaja cuando se trata de alimentar
máquinas de gran velocidad de rotación como los alternadores eléctricos.
Adicionalmente los estudios aerodinámicos revelaron que el tripala es el
compromiso adecuado en cuanto a precio y estabilidad en la rotación del
rotor.
Posteriormente, en 1922, el ingeniero finlandés Sigurd J. Savonius crea la
turbina eléctrica Savonius (Ilustracion 8-4). Las Savonius son una de las
turbinas más simples.
Aerodinámicamente, son dispositivos de arrastre o resistencia que
constan de dos o tres palas. Mirando el rotor desde arriba, las palas
forman la figura de una S. Debido a la curvatura, las palas experimentan
menos resistencia cuando se mueven en contra del viento que a favor de
él. Esta diferencia causa que la turbina Savonius gire.
Como es un artefacto de arrastre, la Savonius extrae mucho menos de la
fuerza del viento que las turbinas de sustentación con similar tamaño. Por
otro lado, no necesitan orientarse en la dirección del viento, soportan
mejor las turbulencias y pueden empezar a girar con vientos de baja
velocidad.
Es una de las turbinas más económicas y más fáciles de usar. Las
turbinas Savonius son usadas cuando el costo resulta más importante
que la eficiencia. Por ejemplo, la mayoría de los anemómetros son
turbinas Savonius (o de un diseño derivado), porque la eficiencia es
completamente irrelevante para aquella aplicación.
Savonius mucho más grandes han sido usadas para generar electricidad
en boyas de aguas profundas, las cuales necesitan pequeñas cantidades
de potencia y requieren poquísimo mantenimiento. La aplicación más
común de la turbina Savonius es el ventilador Flettner el cual es
comúnmente visto en los techos de furgonetas y buses usado como
dispositivo de enfriamiento. 6
6
LUCAS SAN ROMAN, A. Aerogenerador de uso particular. En: Proyectos España. Madrid
(Octubre 2009).
34
ILUSTRACIÓN 16-4: AEROGENERADOR SAVONIUS
FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES
El uso de las turbinas de viento para generar electricidad comenzó en
Dinamarca a finales del siglo pasado y se ha extendido por todo el
mundo. Los molinos para el bombeo de agua se emplearon a gran escala
durante el asentamiento en las regiones áridas del oeste de Estados
Unidos.
Las energías sostenibles son energías limpias que contribuyen a cuidar el
medio ambiente. Frente a los efectos contaminantes y el agotamiento de
los combustibles fósiles.
Las energías sostenibles son ya una alternativa hablamos ahora de
la Energía solar, eólica, biomasa, energía geotérmica, energía
hidroeléctrica, hidrógeno, energía de los océanos y mucho más.
35
16.1.2.
AEROGENERADOR
El término “energía eólica” describe el proceso por el cual el viento se usa
para generar energía mecánica o eléctrica. Las turbinas eólicas
convierten la energía cinética del viento en energía mecánica. La energía
mecánica se puede usar para labores específicas (tales como moler
grano o bombear agua), o bien, un generador puede convertir esta
energía mecánica en electricidad.
Una turbina de viento funciona de manera contraria a un ventilador. En
vez de usar la electricidad para generar viento, como un ventilador, las
turbinas usan el viento para generar electricidad.
El viento hace girar las aspas y éstas hacen girar un eje, el cual se
conecta a un generador y produce electricidad (Ilustración 8-5). Al igual
que los molinos de viento, las turbinas van generalmente montadas sobre
una torre para capturar el máximo de energía. Las turbinas de viento
funcionan basadas en un principio muy sencillo.
La energía en el viento hace girar dos o tres aspas similares a una hélice
alrededor de un rotor. El rotor va conectado al eje principal, el cual hace
girar un generador para producir electricidad, a unos 30 metros (100 pies)
o más sobre el suelo, pueden aprovechar la mayor rapidez y menor
turbulencia del viento. Un aspa actúa de manera muy similar al ala de un
avión. Cuando sopla el viento, se forma un bolsillo de aire de baja presión
en el lado inferior del aspa. El bolsillo de aire de baja presión atrae el
aspa, haciendo que gire el rotor. Esto se denomina elevación.
La fuerza de la elevación es mucho mayor que la fuerza del viento contra
la cara lateral del aspa, la cual se denomina resistencia. La combinación
de elevación y resistencia hace que el rotor gire como una hélice y el eje
giratorio hace rotar un generador para producir electricidad.
Las turbinas de viento se pueden usar a fin de producir electricidad para
una sola vivienda o inmueble, o bien conectar a una red eléctrica
La velocidad del viento y la altura de las aspas contribuyen a la cantidad
de energía que se genere.
36
ILUSTRACIÓN 16-5: COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR
FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES
16.1.2.1. Consideraciones básicas de carga:
Cuando se construyen aerogeneradores o helicópteros, deben
tenerse en cuenta la resistencia, el comportamiento dinámico y las
propiedades de fatiga de los materiales y de todo el conjunto.
•
Los aerogeneradores están construidos para atrapar la energía
cinética del viento.
•
Los modernos aerogeneradores no se construyen con un gran
número de palas del rotor, como en los viejos molinos de viento
"americanos" que conocemos generalmente.
16.1.2.2.
Cargas de fatiga:
Los aerogeneradores están sujetos a vientos fluctuantes y, por tanto, a
fuerzas fluctuantes. Esto se da particularmente en el caso de estar
emplazados en un clima eólico muy turbulento. Los componentes sujetos
a una flexión repetida pueden desarrollar grietas, que en última instancia
pueden provocar la rotura del componente.7
7
RODRIGUEZ Amenedo J.L Sistemas eólicos de producción de energía electrica. España: Rueda,
2003.
37
16.1.3.
TIPOS DE AEROGENERADORES
16.1.3.1. Aerogeneradores de eje horizontal:
La mayor parte de la tecnología descrita se refiere a aerogeneradores de
eje horizontal (o "HAWTs", que corresponde a las siglas de la
denominación inglesa "horizontal axiswind turbines"). La razón es simple:
todos los aerogeneradores comerciales conectados a la red se
construyen actualmente con un rotor tipo hélice de eje horizontal.
ILUSTRACIÓN 16-6: AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL
FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES
Como probablemente recordará, en las clásicas norias de agua el agua
llegaba en ángulo recto (perpendicular) respecto al eje de rotación de la
noria. Los aerogeneradores de eje vertical (o "VAWTs", como algunos les
llaman) son como las norias en ese sentido (algunos tipos de turbinas de
eje vertical realmente también podrían trabajar con un eje horizontal,
aunque apenas serían capaces de mejorar la eficiencia de una turbina de
tipo hélice).
16.1.3.1.1.
Ventajas:
• Puede situar el generador, el multiplicador, etc. en el suelo, y puede no
tener que necesitar una torre para la máquina.
• No necesita un mecanismo de orientación para girar el rotor en contra
del viento.
38
16.1.3.1.2.
Desventajas:
• Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por
lo que a pesar de que puede ahorrase la torre, sus velocidades de viento
serán muy bajas en la parte más inferior de su rotor. 8
•
16.1.3.2. Aerogenerador tripala
La razón más importante es la estabilidad de la turbina. Un rotor con un
número impar de palas (y como mínimo tres palas) puede ser
considerado como un disco a la hora de calcular las propiedades
dinámicas de la máquina. Un rotor con un número par de palas puede dar
problemas de estabilidad en una máquina que tenga una estructura
rígida. La razón es que en el preciso instante en que la pala más alta se
flexiona hacia atrás, debido a que obtiene la máxima potencia del viento,
la pala más baja pasa por la sombra del viento de enfrente de la torre. La
mayoría de aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor
a barlovento (en la cara de la torre que da al viento), usando motores
eléctricos en sus mecanismos de orientación. A este diseño se le suele
llamar el clásico "concepto danés", y tiende a imponerse como estándar al
resto de conceptos evaluados.9
ILUSTRACIÓN 16-7: AEROGENERADOR TRI PALA O DANÉS
8
ENERGIZAR, “Desarrollo humanao “ {En línea}{Agosto 12 de 2016} disponible en:
http//www.energizar.org.ar.
9
Ibid.,p.29.
39
FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES
16.1.3.3. aerogeneradores de eje vertical.
Los aerogeneradores verticales o de eje vertical no necesitan mecanismo
de orientación y lo que sería el generador eléctrico se puede encontrar
situado en el suelo.Su producción energética es menor y tiene algunos
pequeños hándicaps como que necesita ser motorizado para que se le
pueda poner en marcha.
Existen tres tipos de aerogeneradores verticales como son Savonius,
Giromill y Darrrieus.10
ILUSTRACIÓN 16-8 AEROGENERADOR EJE HORIZONTAL
10
RENOVABLES VERDES, “Aerogeneradores”{ En línea} {Agosto 23 de 2016} disponible en:
(www.renobablesverdes.com/aerogeneradores. )
40
FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES
16.1.3.3.1.
Tipo Savonius:
Este se caracteriza por estar formado por dos semicírculos desplazados
horizontalmente a una determinada distancia, a través de la cual se
desplaza el aire, por lo que desarrolla poca potencia.
16.1.3.3.2.
Giromil:
Destaca por tener un conjunto de palas verticales unidas con dos barras
en el eje vertical y ofrece un rango de suministro energético de 10 a 20
Kw.
16.1.3.3.3.
Darrieus:
Formado por dos o tres palas biconvexas unidas al eje vertical por la
parte inferior y superior, permite aprovechar el viento dentro de una banda
ancha de velocidades. El inconveniente que posee es que no se
encienden por si solos y necesitan un rotor Savonius.
16.1.4.
ENERGÍA EÓLICA EN COLOMBIA
El viento es una forma de energía solar. Los vientos son causados por un
calentamiento desparejo de la atmósfera por parte del sol, irregularidades
en la superficie de la tierra y la rotación del planeta. Los patrones de flujos
eólicos son modificados por el terreno irregular de la tierra, las masas de
41
agua y la vegetación.
Los seres humanos usan el flujo de viento, o la energía motriz, para
múltiples fines: navegar, volar un cometa e incluso para generar
electricidad. El término “energía eólica” describe el proceso por el cual el
viento se usa para generar energía mecánica o eléctrica.
Las turbinas eólicas convierten la energía cinética del viento en energía
mecánica. La energía mecánica se puede usar para labores específicas
(tales como moler grano o bombear agua), o bien, un generador puede
convertir esta energía mecánica en electricidad.
Uno de los primeros trabajos en tal sentido fue adelantado por el
Ingeniero Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda11 en 1997, mediante un mapa
de vientos para una parte del territorio. El Instituto de Hidrología,
Meteorología y Estudios Ambientales (Ideam)12 realizan actividades de
recolección y procesamiento de datos en tal sentido.
A escala macro, la región más atractiva desde el punto de vista eólico es
la Costa Atlántica Colombiana, donde los vientos aumentan en dirección a
la península de La Guajira. Se han identificado otras regiones de interés
como el departamento de Arauca y algunas zonas de los altiplanos en las
cordilleras. Por el evidente atractivo de La Guajira, las actividades de
EPM se concentraron en dicha región.
En efecto, la información disponible sobre la Media y Alta Guajira, indica
que esta zona podría representar una de las alternativas con mayores
posibilidades futuras para la generación eólica, tanto por sus fuertes
vientos, como por otras particularidades -dirección, distribución de
frecuencias y complementariedad con el régimen hidrológico-, además de
las excelentes condiciones físicas para parques eólicos.
Localmente, según el Mapa Eólico de Colombia de 2006, se destacaron
16 lugares de Colombia donde las intensidades del viento son
importantes para el aprovechamiento del recurso eólico. 3 sitios donde los
vientos son persistentes y superiores a 5m/s durante todo el año:
Galerazamba en el Departamento de Bolívar, Gachaneca en Boyacá y la
isla de San Andrés en el mar Caribe colombiano. 3 sitios donde las
velocidades son persistentes pero en el rango entre los 4 y 5m/s: La
Legiosa en el Huila, Isla de Providencia en el Mar Caribe y Riohacha en
11
PINILLA SEPULVEDA Alvaro Enrique, Investigador Universidad de los Andes Colombia.
IDEAM; institución pública de apoyo técnico y científico al Sistema Nacional Ambiental, que
genera conocimiento, produce información confiable, consistente y oportuna, sobre el estado y
las dinámicas de los recursos naturales y del medio ambiente.
12
42
La Guajira. Los restantes 10 lugares no guardan una gran persistencia en
la velocidad del viento excepto para determinadas épocas y/u horas del
año como son: Villacarmen en Boyacá, Obonuco en Nariño, Cúcuta y
Ábrego en Norte de Santander, Urrao en Antioquia, Soledad en Atlántico,
Santa Marta en Magdalena, Bucaramanga en Santander, Anchique en
Tolima y Bogotá en Cundinamarca.
Asimismo, una aproximación del comportamiento de la densidad de
energía a 50 metros de altura en Colombia es el que se presenta a
continuación:
• Durante todo el año, valores de densidad de energía eólica entre 2.197 y
2.744 W/m2, alcanzando aun valores entre 2.744 y 3.375 W/m2, se
mantienen en la Península de La Guajira. Al igual que el campo del viento
y de densidad de energía eólica a 20 metros de altura, la densidad de
energía eólica a 50 metros en el resto del país presenta variaciones
dentro del ciclo estacional.
• Para el período comprendido entre diciembre y abril, se observan
valores de densidad de energía eólica entre 343-542 W/m2 en la cuenca
del río Sinú al noroccidente de Antioquia, límites entre Tolima y Risaralda,
Catatumbo a la altura de Norte de Santander, en los límites entre los
departamentos de Huila y Meta, así como en Casanare sobre los Llanos
Orientales. Valores de densidad de energía entre 729 y 1.000 W/m2, se
observa sobre el Golfo de Urabá, en el Bajo Magdalena y la cuenca del
Cesar en los departamentos de Bolívar, Atlántico, Norte de Santander y
centro del Cesar. No obstante, hacia abril hay una reducción de estos
valores por causas explicadas anteriormente.
La empresa colombiana multiservicios EPM está estudiando construir un
parque eólico en la costa norte de Colombia que sumaría 200-400 MW de
capacidad. A tal fin, la integrada colombiana Empresas Públicas de
Medellín (EPM) y la agencia de desarrollo alemana GTZ realizan estudios
de viabilidad desde enero de este año.
Los Parques Eólicos de Empresas Públicas de Medellín (EPM) en La
Guajira y el Túnel de Oriente de la Gobernación de Antioquia son los más
importantes del país, donde la eólica es aún muy incipiente.
El Parque Eólico Jepirachi en funcionamiento desde abril de 2004, tiene el
honor de ser el primer generador de energía de este tipo en Colombia.
Jepírachi está conformado por 15 aerogeneradores Nordex N60/250 que
producen 1,3 MW cada una (juntos generan un total de 19,5 MW) y están
43
distribuidas en un terreno de 1,2 Km2 paralelo a la costa de la guajira
colombiana.
Las penínsulas de la Guajira y Paraguaná son barridas casi todo el año
por los vientos alisios que soplan desde el mar Caribe con rumbo
nordeste suroeste. Esta dos penínsulas, las más septentrionales de
América del sur, conforman, conjuntamente con las más sureñas de las
Antillas menores (Aruba, Curazao y Bonaire) el Cinturón Árido
Pericaribeño.
La velocidad del viento en la Península de Paraguaná oscila entre los 7 y
los 9 metros por segundos, esto es, de 25 a 30 kilómetros por hora,
siendo en La Guajira un poco menor, lo que constituyen, escenarios
óptimos para la instalación de molinos eólicos agrupados en grandes
cantidades (parques eólicos) que sirvan para generar electricidad en
forma barata, ecológica y sostenible.
Colombia ha instalado en los últimos años 2 grandes parques eólicos en
su departamento de La Guajira: El parque eólico Jepirachi ubicado en la
alta Guajira, con 15 aerogeneradores inaugurada en el año 2003, y el
parque eólico Wayúu ubicado entere le cabo de la vela y puerto Bolívar
con capacidad para 20 megavatios.
El parque eólico Wayúu se construyó en una zona intermedia entre el
Cabo de La Vela y Puerto Bolívar, donde los vientos alisios del noreste
tienen mayor fuerza. Se instalarán cuando esté concluido de 15 a 30
torres de aproximadamente 60 metros de altura, con palas cuyos brazos
tendrán de 20 a 30 metros.
La capacidad de generación será 20 megavatios, máximo permitido por la
legislación colombiana para que centrales de energía alternativa entren al
mercado regulado de la bolsa nacional energética, que atiende el sistema
interconectado nacional.
Las características técnicas del parque Wayúu son similares a las del
parque eólico de Jepirachi, construido por empresas públicas de Medellín
con tecnología de Alemania y apoyo de la agencia de cooperación GTZ
de ese país.
”El parque eólico de La Guajira es un ejemplo muy claro” del tipo de
iniciativas que apoya la cooperación holandesa, señaló Sylvia van Uden,
encargada de asuntos económicos y comerciales de la embajada de
Holanda en Colombia.
44
En Wayúu ESP también participa la empresa Estrategias y Desarrollos,
especializada en energía y medio ambiente, el Instituto de Hidrología y
Meteorología tiene interés en asociarse con el proyecto, y se espera
concretar un contrato de venta de energía a una institución
gubernamental.
Jepírachi, significa “vientos que vienen del nordeste en dirección del Cabo
de la Vela” en Wayuunaiki, la lengua nativa Wayuu, es el primer parque
para la generación de energía eólica construido en el país. Es una
experiencia piloto que hace parte del Programa general de
investigaciones, proyectos y actividades asociadas para el desarrollo de
la energía eólica en Colombia, con el cual se pretende adquirir
conocimientos sobre esta energía, verificar su desempeño y realizar la
adaptación tecnológica a las características particulares de medio
Colombiano.
Jepírachi es un parque experimental, un laboratorio para conocer y
aprender sobre una energía limpia y renovable como la eólica, que puede
ser alternativa de abastecimiento energético para el país en el futuro,
siempre y cuando los resultados de las evaluaciones demuestren su
viabilidad económica, técnica y ambiental, y sea acogida por el sector
eléctrico colombiano.
La construcción del parque se realizó con la autorización de la comunidad
Wayuu para el uso de su territorio, y con el permiso de la Corporación
Autónoma Regional de La Guajira, Corpoguajira, para la ejecución de las
obras.
La gestión social desarrollada para viabilizar el proyecto, tuvo y tiene
como eje la participación efectiva de las comunidades en las diferentes
etapas del proceso, y se fundamenta en el respeto por la integridad étnica
y cultural de las comunidades Wayuu, en el establecimiento de relaciones
de confianza, en la búsqueda de la equidad y el beneficio comunitario, sin
actitudes paternalistas y mediante la aplicación de principios de actuación
y de convivencia intercultural.
La construcción del parque se realizó en 14 meses y durante ella se
adecuaron 11 Km. de vías, patios de trabajo, plazoletas para los
aerogeneradores, se construyó una caseta para reuniones con las
comunidades y se adecuaron instalaciones temporales como oficinas,
45
pues no se construyeron campamentos.13
De todas estas ventajas, es importante destacar que la energía eólica no
emite sustancias tóxicas ni contaminantes del aire, que pueden ser muy
perjudiciales para el medio ambiente y el ser humano. Las sustancias
tóxicas pueden acidificar los ecosistemas terrestres y acuáticos, y corroer
edificios. Los contaminantes de aire pueden desencadenar enfermedades
del corazón, cáncer y enfermedades respiratorias como el asma.
La energía eólica no genera residuos ni contaminación del agua, un factor
importantísimo teniendo en cuenta la escasez de agua. A diferencia de
los combustibles fósiles y las centrales nucleares, la energía eólica tiene
una de las huellas de consumo de agua más bajas, lo que la convierte en
clave para la preservación de los recursos hídricos.
Beneficios:
Energía que se renueva
Inagotable
No contaminante
Reduce el uso de combustibles fósiles
Reduce las importaciones energéticas
Contribuye al desarrollo sostenible
La energía eólica suministra actualmente más del 3% del consumo
mundial de electricidad y se espera que para 2020 se supere el 5%. A
más largo plazo (2040), la Agencia Internacional de la Energía prevé que
la energía del viento pueda cubrir el 9% de la demanda eléctrica mundial
y más del 20% en Europa.
España ha sido uno de los países pioneros y líderes en el
aprovechamiento del viento para producir electricidad. Treinta años
después de instalarse el primer aerogenerador en el país, España
consiguió ser el primer país del mundo en el que la energía eólica fuese la
principal fuente de generación eléctrica durante un año entero (en 2013,
con el 20,9% de la producción total), lo que le sitúa también como un país
muy avanzado en las soluciones tecnológicas que permiten su integración
en red.
Aunque la implantación eólica se ha ralentizado en
los
últimos
años, España sigue siendo, con unos 23.000 MW instalados al cierre de
2015, el segundo país europeo por potencia eólica operativa después de
Alemania ( 43.723 MW), y el quinto del mundo, tras China (138.060
13
EPM Colombia 2009
46
MW), EE.UU. (71.000 MW) e India(25.219 MW), según las estimaciones
de la citada consultora.
Los vientos en Colombia están entre los mejores de Sudamérica.
Regiones en donde se han investigado, como en el departamento de la
Guajira, han sido clasificados vientos clase 7 (cerca de los 10 metros por
segundo (m/s)). La única otra región con esta clasificación en
Latinoamérica es la Patagonia, ubicada en Chile y Argentina.
Colombia tiene un potencial estimado de energía eólica de 21GW
solamente en el departamento de la Guajira (lo suficiente para satisfacer
casi dos veces la demanda nacional de energía). Sin embargo, el país
solamente ha instalado 19.5MW en energía eólica, explotando 0.4% de su
potencial teórico. Esta capacidad la aprovecha principalmente el Parque
de Jepirachí, desarrollado por Empresas Públicas de Medellín (EPM) bajo
Carbón Finance, un mecanismo anexado al Banco Mundial. También hay
varios proyectos bajo consideración, incluyendo un parque eólico de
200MW en Ipapure. 14
En lo que a recursos renovables se refiere mundialmente, todos los
países de la región latinoamericana cuentan con abundantes recursos
(radiación solar, viento, altas precipitaciones, mareas,…). El problema
que tienen las energías renovables en esta zona, son los costos elevados
que tienen los equipos y la tecnología que éstos conllevan, pues la
mayoría de estos países no dispone de la capacidad necesaria para
instalarlos. Además de esto, otro inconveniente es el hecho de que están
poco desarrolladas las mediciones de los recursos, para adecuar
correctamente estos a las necesidades energéticas. En cuanto a la
energía eólica, ésta sigue creciendo en Latinoamérica, aunque este
crecimiento tiene unas grandes diferencias entre los distintos países.
ILUSTRACIÓN 16-9: POTENCIA EÓLICA INSTALADA EN LATINOAMÉRICA EN MW POR PAÍSES A FINALES DE
2010.
FUENTE: ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ENERGÍA EÓLICA (LAWEA)
14
ATLAS DE VIENTO, Atlas de viento y energía eólica Colombia Junio 2012.
47
17.
17.1.
MARCO CONCEPTUAL.
GENERACIÓN ENERGÍA EÓLICA
El viento es una forma de energía solar. Los vientos son causados por un
calentamiento desparejo de la atmósfera por parte del sol, irregularidades
en la superficie de la tierra y la rotación del planeta. Los patrones de flujos
eólicos son modificados por el terreno irregular de la tierra, las masas de
agua y la vegetación. Los seres humanos usan el flujo de viento, o la
energía motriz, para múltiples fines: navegar, volar un cometa e incluso
para generar electricidad.
ILUSTRACIÓN 17-1: PARTES DE UN AEROGENERADOR.
FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES
Aerogenerador: Es una máquina que produce un movimiento de
rotación aprovechando la fuerza del viento
Rotor: Su función es convertir la energía cinética del viento en
energía mecánica de rotación, son el conjunto de componentes del
aerogenerador que giran fuera de la góndola. Está compuesto por
48
las palas, el buje y la nariz.
Palas: son el elemento del aerogenerador que por
aprovechamiento aerodinámico capturan la energía del viento y
transmiten su potencia hacia el buje al que están conectadas.
Buje: es el elemento de unión entre las palas y el sistema de
rotación, ya que este está acoplado al eje de baja velocidad del
aerogenerador.
Cono o nariz: es la cubierta metálica con forma cónica que se
encara al viento, y lo desvía hacia el tren motor. Debe tener la
forma aerodinámica adecuada para impedir la formación de
turbulencias.
Eje de baja velocidad: Es el encargado de conectar el buje del
rotor con la multiplicadora y transmitir la energía captada por las
palas.
Multiplicadora: Debido a que la velocidad a la que gira el rotor es
mucho menor a la que necesita el generador para producir
electricidad, se necesita de una multiplicadora, para aumentar la
velocidad a la que gira el rotor y así lograr el accionamiento del
generador. La multiplicadora conecta el eje de baja velocidad del
rotor con el eje de alta velocidad del generador. Con ella se
consigue la conversión entre potencia de alto par torsor, que se
obtiene del rotor girando lentamente, y la potencia de bajo par
torsor, a alta velocidad, que se utiliza en el generador, se
caracteriza por su relación de transformación, definida como la
relación entre la velocidad de giro del eje de entrada (lado del
rotor) y la del eje de salida (lado del generador eléctrico).
Eje de alta velocidad: Es el encargado del accionamiento del
generador eléctrico.
Generador eléctrico: Su función es convertir la energía mecánica
de rotación que le entrega la multiplicadora, en energía eléctrica.
El generador eléctrico de un aerogenerador tiene que trabajar bajo
niveles de cargas fluctuantes debido a las variaciones en la
velocidad del viento.
Góndola: La góndola encierra en su interior la multiplicadora, el
generador eléctrico y los sistemas auxiliares del aerogenerador y
49
dispone de una cubierta de protección y de insonorización de los
componentes de la máquina. También incorpora las aberturas
necesarias para lograr una ventilación efectiva del multiplicador y
del generador.
Sistema de regulación y control: Este sistema tiene como
función, mantener la velocidad de rotación constante y regular, y
limitar la potencia eólica aprovechada o recuperada por el rotor.
Cuando la velocidad del viento es menor a la de conexión o mayor
a la de desconexión, el sistema de control frena el aerogenerador
como medio para prevenir daños. Para lograr esto, el
aerogenerador cuenta con dos tipos de frenos, el freno
aerodinámico y el freno mecánico. El primero, frena el
aerogenerador por medio del giro del ángulo de las palas, gracias a
esto el aerogenerador se detiene de forma suave y segura en unas
pocas vueltas, cuando se aplica este freno, el aerogenerador
queda en estado de libre giro pero no detenido completamente. El
freno mecánico es un freno de disco situado en el eje de alta
velocidad del multiplicador, éste, frena completamente el
aerogenerador, se usa en caso de emergencia (fallo del freno
aerodinámico) o durante las tareas de mantenimiento, para
inmovilización por seguridad.
Sistema de orientación: Este sistema tiene como función orientar
el rotor de forma que quede colocado de forma perpendicular a la
dirección del viento y así presente siempre la mayor superficie de
captación.
Anemómetro: Se utiliza para medir la velocidad del viento.
Veleta: Se utiliza para medir la dirección del viento.
Sistema hidráulico: Proporciona la potencia hidráulica para los
accionamientos del aerogenerador (Palas).
Torre: Es la encargada de soportar la góndola y el rotor. Cuanta
más alta sea la torre mayor cantidad de energía podrá obtenerse,
ya que la velocidad del viento aumenta con la altura respecto al
nivel del suelo.
Cimentación: Plataforma de alta resistencia sobre la cual se
dispone el conjunto del aerogenerador.
50
La clasificación por potencia nominal divide las máquinas eólicas en los
siguientes grupos:
Microturbinas (<3kW):
Suelen ser utilizadas en sistemas aislados para generar electricidad que
posteriormente servirá para cargar unas baterías de almacenamiento. El
generador eléctrico que normalmente utilizan es de imanes permanentes,
y no suelen contar con caja multiplicadora entre el eje del rotor del
aerogenerador y el generador eléctrico.
Habitualmente se trata de máquinas de eje horizontal con tres palas y
diámetros pequeños (entre 1 y 5 metros) que trabajan a velocidades de
rotación elevadas y generalmente variables. La electricidad que producen
está en forma de corriente alterna de frecuenta variable, por lo que ésta
es rectificada, almacenada en baterías y posteriormente se convierte de
nuevo en alterna pero de frecuencia constante mediante un inversor.
Finalmente un transformador es el que se encarga de subir la tensión a la
que requiera el servicio.
Ejemplo: máquinas eólicas que se encargan de accionar bombas
hidráulicas para la extracción de agua de los pozos.
Pequeños aerogeneradores (<50kW):
También suelen ser utilizados en sistemas aislados para generar
electricidad que posteriormente servirá para cargar unas baterías de
almacenamiento, es decir, cubren una demanda similar a la del grupo
anterior, pero teniendo una mayor potencia. Además, también suelen
utilizarse para formar sistemas híbridos, es decir, sistemas que combinan
la energía eólica con otro tipo de energía como puede ser solar,
hidráulica, diésel.
Si la potencia es hasta 10kW el tipo de generador eléctrico sigue siendo
de imanes permanentes y sin hacer uso de caja multiplicadora. Sin
embargo, para una gama de potencias más alta se introducen cajas de
engranajes entre el eje del rotor y el del generador, ya que el generador
eléctrico funciona a unas velocidades mucho mayores que las del rotor
del aerogenerador.
Ejemplo: máquinas eólicas que se encargan de la iluminación de granjas
de animales.
51
Grandes aerogeneradores (<850kW):
En este caso, la producción de electricidad ya se inyecta a la red. Suelen
ser aerogeneradores rápidos de eje horizontal que cuentan normalmente
con tres palas. Sus potencias suelen estar comprendidas entre 200 y 850
kW y sus diámetros entre 25 y 55 metros. Cuentan con cajas de
engranajes para aumentar la velocidad y así poder accionar el generador
eléctrico y sus palas suelen contar con un sistema de regulación (ya sea
activo o pasivo) mediante el que se controla la potencia del rotor en
función de la velocidad del viento.
Ejemplo: parques eólicos cuando éstos se encuentran en terrenos
complejos.
Aerogeneradores multimegawat (1-3MW):
La electricidad que producen también se inyecta a la red. Son similares a
los anteriores en cuanto a cajas de engranajes y sistemas de regulación,
sin embargo sus diámetros son mucho mayores (entre 50 y 90 metros) y
su altura suele estar entre 60 y 100 metros.
Ejemplo: parques eólicos offshore.
17.2.
CONVERSION DE LA ENERGIA EOLICA EN ENERGIA
ELECTRICA
La conversión de la energía eólica en energía eléctrica se lleva a cabo de
la siguiente manera.
La energía disponible en el viento es energía cinética, dicha energía es la
que choca con las palas del rotor y estas palas la convierten en energía
mecánica. El rotor se encuentra conectado al eje, y el par motor en dicho
eje puede hacer trabajos mecánicos o generar electricidad.
Dependiendo del diseño aerodinámico de la pala, el viento, al actuar en
las palas, produce un levantamiento o un arrastre. En el levantamiento lo
que ocurre es que se produce una presión diferente en cada lado de la
superficie del rotor, haciendo que el plano aerodinámico se levante. En el
arrastre el viento golpea físicamente al rotor y lo arrastra con esa fuerza
de choque. En cuanto a eficiencia se prefiere el levantamiento y las
máquinas más modernas emplean este principio en su operación.
52
Aun con todo, se sabe que por la Ley de Betz, solamente puede
aprovecharse el 59,6% de la energía disponible del viento, ya que si fuera
posible la extracción de toda la energía en movimiento del viento, justo
detrás de las palas se quedaría una gran cantidad de aire en calma, por lo
que bloquearía el acceso de más aire a las palas.
Una vez que ya se ha extraído la energía del viento, esta energía
mecánica es convertida en energía eléctrica mediante un generador
eléctrico, el cual puede ser de muy diversos tipos dependiendo de cómo
sea el aerogenerador (según su potencia nominal y su uso. Por tanto, en
esta conversión de energía mecánica a energía eléctrica también habrá
unas determinadas pérdidas, las cuales también dependerán del tipo de
generador seleccionado.
Los sistemas eólicos pequeños para generación de electricidad pueden
proporcionarle una fuente práctica y económica de electricidad, siempre y
cuando:
• La ubicación cuenta con un buen recurso eólico
• Las cláusulas o normas permiten la instalación de turbinas eólicas
El nivel de ruido de las turbinas eólicas residenciales modernas está entre
los 52 y 55 decibelios. Esto significa que se puede distinguir el ruido de la
turbina eólica únicamente si uno se lo propone y se concentra en hacerlo.
17.3.
FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS EÓLICAS
El viento se genera por un calentamiento irregular de la superficie
terrestre por parte del sol. Las turbinas eólicas convierten la energía
cinética del viento en energía mecánica, la cual acciona un generador que
produce energía eléctrica limpia.
Actualmente, las turbinas eólicas son versátiles fuentes de electricidad.
Sus alabes o “palas” tienen un diseño aerodinámico que les permite
capturar la mayor cantidad de energía del viento, pues éste las hace rotar,
accionando una flecha acoplada al generador y así obtener electricidad.
53
ILUSTRACIÓN 17-2: TURBINA EÓLICA WHISPER H175 DE 3 KILOWATTS, SE ENCUENTRA INSTALADA EN UNA
TORRE DE 50 PIES, CONECTADA A LA RED PARA COMPENSAR EL SUMINISTRO DE ENERGÍA DE LA RED
CONVENCIONAL.
FUENTE: GUÍA ENERGÍA EÓLICA, DEPARTAMENTO DE ENERGÍA EE.UU.
El tamaño de la turbina depende del uso que vaya a hacer de ella. El
rango de turbinas pequeñas se encuentra entre los 20 watts y los 100
kilowatts. Las más pequeñas o “micro” (de 20 a 500 watts) se emplean en
una gran variedad de aplicaciones, tales como la carga de baterías para
vehículos recreacionales y de veleros.
Las turbinas de 1 a 10 kilowatts pueden ser usadas para bombear agua.
La energía eólica ha sido usada por siglos en esta aplicación y para la
molienda de granos. Aunque los molinos de viento mecánicos aún son
una opción sensiblemente de bajo costo para el bombeo de agua en
zonas de poco viento, los granjeros y propietarios de ranchos han
descubierto que el bombeo eoloeléctrico es más versátil y pueden
bombear el doble de volumen de agua.
Los sistemas eoloeléctricos pueden ser colocados donde se encuentra el
mejor recurso del viento y conectarse al motor de una bomba mediante un
cableado apropiado.
Las turbinas para aplicaciones residenciales pueden estar en el rango de
los 400 watts y hasta los 100 kW (para cargas muy grandes),
dependiendo de la cantidad de electricidad que se desee generar.
54
Debido a que la eficiencia energética es más barata que la producción de
energía, aplicando estas prácticas seguramente se obtendrá mejores
resultados de costo / beneficio y como consecuencia requerirá una turbina
de menor tamaño.
Un hogar típico consume aproximadamente 9,400 kilowatt-horas al año
(cerca de 780 kWh por mes). Dependiendo de la velocidad promedio del
viento en el área una turbina de potencia nominal de entre 5 y 10
kilowatts, podría hacer una contribución importante para esta demanda.
Una turbina de 1.5 kilowatts podría cubrir las necesidades en un hogar
que consuma alrededor de 300 kWh al mes en un sitio con una velocidad
de 14 millas por hora (6.26 metros por segundo) de velocidad promedio
anual.
Aunque la mayoría de las turbinas cuentan con sistemas de control para
evitar que gire a altas velocidades cuando existen vientos muy intensos y
sufrir algún desperfecto.15
17.4.
PROTOTIPO DE AEROGENERADOR
Los aerogeneradores de eje vertical no son muy comunes ya que tienen
una eficiencia menor que los de eje horizontal.
Sin embargo, en el caso de electrificación rural se busca más la sencillez
tanto en diseño, fabricación, montaje y mantenimiento, que la eficiencia.
El hecho de diseñar un aerogenerador Savonius se debe a que dentro de
los aerogeneradores de eje vertical se trata del más sencillo en
fabricación e instalación. Así, necesita un mantenimiento mínimo, tiene un
costo bajo, consigue arrancar con poco viento y no necesita de un
sistema de orientación del viento, ya que funciona con vientos de
cualquier dirección.
De debido a que funciona gracias al arrastre que produce el viento en sus
palas (la diferencia de arrastre que se genera en las palas -una es
cóncava y la otra convexa- causa un momento de torsión total respecto al
eje distinto de cero en la presencia de suficiente viento, produciendo el
giro), implica que exista una gran pérdida de energía causada por el
rozamiento con el aire de la pala que va en contra del viento
15
DEPARTAMENTO DE ENERGIA E.E.U.U Sistemas Eólicos pequeños para generación de
Electricidad, Estado Unidos. Septiembre 2007
55
ILUSTRACIÓN 17-3: COMPORTAMIENTO DEL VIENTO
FUENTE: ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ENERGÍA EÓLICA (LAWEA)
Un buen aerogenerador de eje vertical puede tener un coeficiente de
potencia Cp (Potencia Extraída/Potencia Disponible en el Viento) cercano
a 0,45 (máximo teórico, o límite de Betz: 0,593), un Savonius Tradicional
difícilmente superará un 0,2 como Cp.
ILUSTRACIÓN 17-4: VELOCIDAD TANGENCIAL VS COEFICIENTE DE POTENCIA
56
FUENTE: ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ENERGÍA EÓLICA (LAWEA)
17.5.
LOCALIZACION
El prototipo diseñado es un Aerogenerador tipo Savonius cuya función
sería suministrar energía eléctrica a un salón de clases del Colegio Ofelia
Uribe ubicado en Yomasa Localidad de Usme, Por ello, tendría que tener
una serie de características específicas:
Facilidad de instalación y desinstalación ya que se colocaría en la parte
más alta que tiene el Colegio (ver Fotografías)
Que el Aerogenerador diseñado sea de peso bajo.
Que reciba viento suficiente, es decir, que no haya edificios más altos
que la posición del aerogenerador u obstáculos que dificulten la recepción
del viento.
Fácil acceso para mantenimiento
Como podemos observar en el mapa de Colombia en general la velocidad
del Viento se encuentra en el rango de 3-5 m/s.
Este dato tomado del Atlas del IDEAM es con respecto a Bogotá,
analizando la localidad y el sitio donde se colocará el Aerogenerador es
probable que la velocidad del tiempo sea aún mayor que la indicada.
57
En el momento no se cuenta con un mapa de vientos detallado de
Colombia, si no por el contrario se encuentra disponible uno general de
Colombia por Ciudades Principales.
En la localización se puede observar que no se tiene ningún obstáculo por
lo menos a kilómetros, es decir no tiene arboles ni edificaciones que
puedan obstruir la circulación del viento, dándole así una muy buena
opción y eficaz de funcionamiento.16
ILUSTRACIÓN 17-5: OBSTRUCCIÓN DEL VIENTO
FUENTE: GUÍA ENERGÍA EÓLICA, DEPARTAMENTO DE ENERGÍA EE.UU.
Registro fotográfico de la ubicación del aerogenerador Colegio Ofelia
Uribe:
ILUSTRACIÓN 17-6: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA
16
Ibid.,p.43.
58
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
ILUSTRACIÓN 17-7: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
ILUSTRACIÓN 17-8: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA
FUENTE: PROPIA
ILUSTRACIÓN 17-9: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA
59
FUENTE: PROPIA
ILUSTRACIÓN 17-10: UBICACIÓN DEL AEROGENERADOR EN EL COLEGIO
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
En estas fotografías podemos observar que donde se dispone implantar
el aerogenerador es la zona más alta del colegio, no tiene obstrucciones
de viento, ni por la edificación ni por arboles de alturas considerables.
Fotografías tomadas el 18 de Julio de 2016 (Visita al colegio para conocer
el sitio de ubicación para el aerogenerador.)
60
ILUSTRACIÓN 17-11: VIENTO MÁS PROBABLE EN COLOMBIA
(BOGOTÁ).
FUENTE: ATLAS IDEAM
61
ILUSTRACIÓN 17-12: PERIODO DE RETORNO DE LA VELOCIDAD MÁXIMA EN COLOMBIA (BOGOTÁ).
FUENTE: ATLAS IDEAM
ILUSTRACIÓN 17-13: DENSIDAD DEL AIRE EN COLOMBIA (BOGOTÁ).
62
FUENTE: ATLAS IDEAM
ILUSTRACIÓN 17-14: TIEMPO EN USME – OCTUBRE DE 2016
63
FUENTE: GETAMAP.NET
ILUSTRACIÓN 17-15: TIEMPO EN USEME – OCTUBRE DE 2016
FUENTE: GETAMAP.NET
En etas graficas podemos observar como se comporta el viento en la
zona especifica de localizacion del aerogenerador.
64
ILUSTRACIÓN 17-16: ROSA DE VIENTOS EN BOGOTA
FUENTE: IDEAM
ILUSTRACIÓN 17-17: LOCALIZACIÓN COLEGIO OFELIA URIBE
FUENTE: GOOGLE MAPS.
65
18. CONDICIONES DEL VIENTO EN EL COLEGIO OFELIA URIBE
18.1.
AFORO DEL VIENTO
En el colegio Ofelia Uribe se realizaron las mediciones del viento con un
Anemómetro con las siguientes características:
Rango: 0-30 m/s, 0-90 km/h, 0-5.860 ft/min, 0-65 mph, 0-55 nudos.
Resolución: 0,1 m/s, 0,3 km/h, 19 ft/min, 0,2 mph, 0,2 nudos.
Umbral: 0,1 m/s, 0,3 km/ h, 39 ft/min, 0,2 mph, 0,1 nudos.
Precisión: +/- 5%.
Rango: Entre -10 ° C y 45 ° C (entre 14 ° F y 113 ° F).
Resolución: 0,2 ° C, 0,36 ° F.
Precisión: ± 2 ° C, ± 3.6 ° F.
Termómetro: Termómetro NTC.
Temperatura de funcionamiento: entre -10 ° C y +45 ° C (entre 14 °
F y 113 ° F).
Humedad de funcionamiento: Menor o igual a 90% RH
Temperatura de almacenamiento: entre -40 ° C y +60 ° C, entre 40
° F y 140 ° F.
Las mediciones del viento se realizaron con el siguiente procedimiento:
Se colocó el anemómetro en la zona donde se va instalar el
aerogenerador, a una altura de 2 m, teniendo en cuenta que la
zona está en la parte más alta del lote del Colegio.
66
Se hicieron lo aforos por aproximadamente 20 segundos cada uno,
tomando nota de los m/s promedio y los datos de los m/s mas altos
que se presentaban en los segundos de aforo.
Los aforos se realizaron en el mes de noviembre dejando la
anotación que es una temporada donde no se presentan los
fuertes vientos como en el mes de Agosto.
Las mediciones se realizaron a diferentes horas del día, a las 10:00
am, 12:00 pm y 3:00 pm, con la ayuda del profesor Andrey.
ILUSTRACIÓN 18-1 AFORO DEL VIENTO
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
67
ILUSTRACIÓN 18-2 UBICACIÓN DEL
AEROGENERADOR
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
ILUSTRACIÓN 18.3 UBICACIÓN DEL AEROGENERADOR
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
68
ILUSTRACIÓN 18.4 PANORÁMICA DE LA UBICACIÓN DEL AEROGENERADOR
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
En las fotografías podemos observar que en la zona donde se va a
instalar el aerogenerador es la parte más alta del colegio, ésta ubicación
es en la parte posterior, cuando se realizó la topografía se evidencio que
hay dos puntos altos donde podría construirse el aerogenerador, pero
este punto norte del colegio se eligió por la facilidad de acceso de los
materiales y por la geometría del terreno, es plana a diferencia del punto
Sur tiene una pendiente muy pronunciada.
Esta zona no presenta obstáculos para el viento, producidos por
edificaciones aledañas o por árboles en la zona que estén a la misma
altura o más alto del aerogenerador, como se observan en las
Ilustraciones 18-1, 18-2 y 18-3.
En el capítulo 19 Topografía, podemos observar los dos puntos más altos
del colegio, los puntos Norte y Sur respectivamente, la diferencia de
niveles y las alturas en donde se encuentran ubicados cada punto ya
mencionado.
Resultado de los aforos:
En los aforos realizados tenemos como resultado que la velocidad media
promedio es de 2,2 m/s y la velocidad máxima promedio es de 3 m/s, ver
Ilustración 18-6.
Para el diseño del aerogenerador se tomó la velocidad máxima promedio
que es de 3 m/s.
69
ILUSTRACIÓN 18-5 PROMEDIO DIARIO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO DEL COLEGIO
PROMEDIO DIARIO DE LA VELOCIDA DEL VIENTO
PRESENTADA EN EL COLEGIO OFELIA URIBE DE ACOSTA
Tiempo
durnte aforo
segundos
21
20
23
18
23
23
19
18
18
20
Velocidad del Viento
Promedio
m/s
2.76
2.72
2.72
2.70
2.70
2.76
2.77
2.71
2.80
2.7
Velocidad del Viento
Maxima
m/s
3.14
3.05
3.03
3.03
3.14
3.10
3.11
3.11
3.08
3.1
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
ILUSTRACIÓN 18-6 GRAFICA VELOCIDAD PROMEDIO DEL VIENTO EN EL COLEGIO
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
70
ILUSTRACIÓN 18-2 PROYECCIÓN VELOCIDAD DEL VIENTO
PROYECCION DEL VIENTO PARA MESES CON ALTO
NIVEL DE VELOCITATDES (AGOSTO-SEPTIEMBRE)
Tiempo
durante aforo
segundos
21
20
23
18
23
23
19
18
18
20
Velocidad del Viento
Promedio
m/s
3.14
3.05
3.03
3.03
3.14
3.10
3.11
3.11
3.08
3.1
D =
Velocidad del Viento
Maxima
m/s
4.54
4.45
4.43
4.43
4.54
4.50
4.51
4.51
4.48
4.5
1.4
PROYECCIONES VELOCIDAD DEL VIENTO
5.00
4.54
4.45
4.43
4.43
4.54
4.50
4.51
4.51
4.48
3.14
3.05
3.03
3.03
3.14
3.10
3.11
3.11
3.08
Velocidad
maxima viento
4.50
Velocidada m/s
4.00
3.50
3.00
Velocidad
promedio viento
2.50
2.00
1.50
1.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
Tiempo de aforo
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
71
10.00
Se hace proyección del viento en los meses de altas velocidades, se
calcula un D=1,4 m/s, se obtiene de iterar valores de velocidades de
viento en los meses de agosto y septiembre, dato referenciado por el
IDEAM.
Las palas están diseñadas para un viento de 5,55 m/s, con esto
comprobamos que las velocidades máximas que alcanzara en épocas de
mayor velocidad de viento no supera la velocidad de diseño.
19. TOPOGRAFÍA
19.1.
DESCRIPCION
Levantamiento Topográfico (Altimétrico y Planímetro), secciones
transversales del terreno natural.
Toma de coordenadas de la ubicación donde se hizo el apique.
19.2.
METODOLOGIA
Se realizó un recorrido técnico previo para la identificación de la
zona donde se realizara el levantamiento topográfico.
Se ubicaron dos deltas con estacas en la zona, donde se
observara todo el talud al cual se le hará el estudio topográfico.
Con estos dos puntos llamados delta 1 y delta 2 se armó la
estación para tomar toda la información necesaria para realizar
las curvas de nivel cada 50 centímetros, un perfil longitudinal y
secciones transversales del talud.
La estación se armó en el delta 1 con coordenadas arbitrarias
norte 5000, este 5000 y cota 2650, y se tomó línea en el delta 2,
72
con un azimut de cero grados, realizada esta actividad se
procede hacer el levantamiento topográfico.
El equipo de campo utilizado fue Estación total Ruide modelo
RTS-862R5 de la serie 067590 y certificado de calibración N°
3575 de vigencia 18 de Noviembre de 2016. (Ver anexo 1
Certificación)
19.3.
RESULTADOS
19.3.1.
LOCALIZACION DEL PROYECTO
El proyecto se encuentra localizado en el barrio Yomasa municipio
de Bogotá, departamento de Cundinamarca.
ILUSTRACIÓN 19-1 LOCALIZACIÓN
FUENTE: GOOGLE EARTH 1: LOCALIZACIÓN LOTE A LEVANTAR TOPOGRÁFICAMENTE.
19.4.
ANALISIS DE RESULTADOS
73
Una vez realizado el trabajo se analizan los datos tomados en terreno
para dibujar el plano con curvas de nivel cada 50 centímetros, un perfil
longitudinal y secciones cada 10 metros.
En el levantamiento podemos observar que la altura que hay desde el
gavión hasta el nivel superior es de 10 metros, cota 2650 donde quedara
la base del aerogenerador, para una altura total de 8,90 metros quedando
así la parte superior del aerogenerador en la cota 2658,90.
El gavión está ubicado a nivel del primer piso del edificio de las aulas de
clase.
El punto 1 o D1
es el seleccionado para instalar el aerogenerador
quedando así en la cota 2800,15 en el K0+020,00 (Ilustración 19-3 y 195), siendo el punto más apropiado para la localización del aerogenerador
ya que en la parte superior hay un área plana la cual facilita la
cimentación, acceso de materiales, acceso de herramientas y
construcción del aerogenerador, y el punto 2 o D2 es el punto al otro
extremo del punto 1 al costado sur quedando en la cota 2801,89 en el
K0+090,00 (Ilustración 19-4 y 19-5). Se observa el perfil del D2 y la
pendiente es más alta por y no hay superficie plana para poder localizar
en ese punto el aerogenerador.
ILUSTRACIÓN 19-2 PERFIL LONGITUDINAL TOPOGRÁFICO
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
74
ILUSTRACIÓN 19-3 PERFIL PUNTO 1 K 0+020.0
ILUSTRACIÓN 19-4 PERFIL PUNTO 2 K0+090,00
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
19.5.
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
REGISTRO FOTOGRAFICO
ILUSTRACIÓN 19-5 UBICACIÓN DE LOS PUNTOS 1 Y 2
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
75
ILUSTRACIÓN 19-6 ARMADO ESTACIÓN
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
ILUSTRACIÓN 19-7 PUNTOS 1 Y 2
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
76
ILUSTRACIÓN 19-8 UBICACIÓN APIQUE
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
ILUSTRACIÓN 19-9 TALUD DETRÁS DE LAS AULAS
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
77
ILUSTRACIÓN 19-10 CUNETA EN CONCRETO
Fuente: Elaboración Propia
ILUSTRACIÓN 19-11 CANAL
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
78
ILUSTRACIÓN 19-12 TALUD PUNTO 2
Fuente: Elaboración Propia
ILUSTRACIÓN 19-13 ZONA ÁRBOLES
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
79
19.6.
PLANO TOPOGRAFICO
80
20. ESTUDIO DE SUELOS
20.1.
DESCRIPCION
El proyecto a desarrollar contempla el reconocimiento del suelo a soportar una
carga de 1Ton que está compuesto por una torre de un aerogenerador de 9,80
metros de altura total, 4 palas de 1,80 m de alto y 1,00 metros de ancho.
20.2.
SONDEO Y CARACTERISTICAS DEL SUELO
La elección del número de sondeos y la profundidad del mismo se obtuvo de
acuerdo a la NSR 10. Se define categoría baja, un sondeo de 2 metros de
profundidad.
Considerando el área y morfología del terreno, se realizó la exploración del
subsuelo mediante un (1) sondeo que alcanzo la profundidad de 2 metros.
La perforación del sondeo se hizo manual y se tomaron tres (3) muestras
alteradas de bolsa y se realizaron ensayos de Penetración, Clasificación, y
Limites
20.2.1.
DESCRIPCION DEL SUELO
Superficialmente se encuentra una capa vegetal de aproximadamente
15 cm de espesor.
Bajo la capa vegetal se encuentra arcillas de color café con gravas, de
consistencia alta que alcanza la profundidad de 0,60 y 1,00 metros.
Siguen arcillas de color gris con gravas de consistencia alta que alcanza
una profundidad de 1,00 metros a 2,00 metros, gran estabilidad y por
supuesto aptos para el soporte con asentamientos mínimos.
81
La expansibilidad de la matriz arcillosa es media, pero esto no afectara
el buen comportamiento de la cimentación dado que la gran cantidad de
piedras y gravas que hay estabilizan los materiales arcillosos y con esto
se logra un excelente comportamiento y muy baja expansibilidad.
El nivel freático no se detectó a esta profundidad de sondeo.
ILUSTRACIÓN 20-1 SONDEO
ILUSTRACIÓN 20-2 SONDEO 2 METROS
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
82
ILUSTRACIÓN 20-3 CONTENIDO DE HUMEDAD M1
PROYECTO: Colegio Ofelia Uribe
Localizacion: Gran Yomasa - Usme
Ensayo: 15 de Noviembre de 2016
Sondeo: 1
Muestra SPTM 1
Profundidad: 0,60 a 1,00 m
DESCRIPCION: Arcillas de color café con gravas, de consistencia alta
CONTENIDO DE HUMEDAD
Muestra
Peso Molde mas Muestra humeda (g)
Peso Molde mas Muestra seca (g)
Peso del agua (g)
Peso molde (g)
Peso suelo seco (g)
Contenido de humedad (g)
1
66.00
57.95
8.10
2.29
57.95
5.76
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
ILUSTRACIÓN 20-4 CONTENIDO DE HUMEDAD M2
PROYECTO: Colegio Ofelia Uribe
Localizacion: Gran Yomasa - Usme
Ensayo: 15 de Noviembre de 2016
Sondeo: 1
Muestra 2
Profundidad: 1,00 a 2,00 m
DESCRIPCION: arcillas de color gris con gravas de consistencia alta que alcanza
CONTENIDO DE HUMEDAD
Muestra
Peso Molde mas Muestra humeda (g)
Peso Molde mas Muestra seca (g)
Peso del agua (g)
Peso molde (g)
Peso suelo seco (g)
Contenido de humedad (g)
2
57.39
50.39
7.04
2.29
49.53
5.57
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
83
ILUSTRACIÓN 20-5 GRANULOMETRÍA
GRANULOMETRIA
TAMIZ
RETENIDO g RETENIDO % ACUMULADO %
1"
0
0%
0
3/4"
23.93
12.50
12.5
1/2"
16.41
8.60
21.1
3/8"
5.83
3.00
24.1
#4
10,36
5.40
29.5
# 10
11.4
6.00
35.5
# 40
4.48
# 60
0
# 100
14,49
7.60
43.1
# 200
10.29
5.40
48.5
Suma pesos
72.34
pasa No. 200
Peso fondo
86.37
Peso total
158.71
Grava (%)
Arena (%)
Finos (%)
26.50
22.00
51.50
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
84
PASA
100.00
87.50
78.90
75.90
70.50
64.50
100.00
100.00
56.90
51.50
51.50
21.
DISEÑO DE UN AEROGENERADOR SAVONIUS DE 200 WATTS
Como ya se mencionó el hecho de diseñar un aerogenerador Savonius se
debe a que dentro de los aerogeneradores de eje vertical se trata del más
sencillo en fabricación e instalación, un mantenimiento mínimo, tiene un costo
bajo, consigue arrancar con poco viento y no necesita de un sistema de
orientación del viento, ya que funciona con vientos de cualquier dirección.
Para diseñar un rotor Savonius hay que conocer de antemano las opciones que
pueden existir, que incluyen espaciados entre palas, número de palas, esbeltez
y posicionamiento de las mismas y discos laterales que conforman las bases
de apoyo.
Los aerogeneradores empiezan a funcionar cuando el viento alcanza una
velocidad de 3 a 4 metros por segundo, y llega a la máxima producción de
electricidad con un viento de unos 13 a 14 metros por segundo. Si el viento es
muy fuerte, de mayor o igual a 25 metros por segundo como velocidad media
durante 10 minutos, los aerogeneradores se deben parar por cuestiones de
seguridad.17
21.1.
CONDICIONES EXTERNAS
Para el diseño se tienen en cuenta factores como las condiciones ambientales
y los parámetros de posicionamiento del aerogenerador.
21.1.1.
CONDICIONES AMBIENTALES.
21.1.1.1. Calculo de la densidad del aire
La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o
peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir,
de su masa por unidad de volumen.
17
EOLICAT, “Aerogeneradores” {En línea} {Octubre 29 de 2016} disponible en:
(www.eolicat.net/aerogeneradores.)
85
En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la
turbina.
La presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por
metro cúbico, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la
humedad.
Además, el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A
grandes altitudes (en las montañas) la presión del aire es más baja y el aire es
menos denso.
ILUSTRACIÓN 18.1.0: CALCULO DE LA DENSIDAD DE AIRE
Presion admosferica hpa
752.12
Temperatura C
15
FUENTE: ELABORACION PROPIA
ILUSTRACIÓN 18.1.1: CALCULO DE LA DENSIDAD DE AIRE
FUENTE: CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA
86
75212 pa
ILUSTRACIÓN 18.1.2: CALCULO DE LA DENSIDAD DE AIRE
FUENTE: CENTRO NACIONAL DE METROLOGIA
ILUSTRACIÓN 18-.1.3 CALCULO DE LA DENSIDAD DEL AIRE
Altitud sobre el nivel del mar Zona media
Densidad del aire
Velocidad media anual
2.850 m.s.n.m
0.903 Kg/m3
3,1 m/s
FUENTE: ELABORACION PROPIA
21.1.2.
CONDICIONES INTERNAS
Las condiciones internas que se van a tener en cuenta son el diseño de las
palas, el diseño del generador y el diseño del sistema de transmisión. También
se considerarán otros aspectos importantes como el diseño de la estructura de
soporte, el peso del aerogenerador o la facilidad para reemplazar sus
componentes.
Las principales características del aerogenerador son las siguientes:
200W de potencia nominal.
Posición vertical del eje principal (tipo Savonius).
Generador síncrono de imanes permanentes
Sistema de transmisión mediante poleas y correas
87
21.2.
DISEÑO DEL ROTOR
El rotor consta de cuatro (4) palas, todas ellas de aluminio, ya que se trata de
un material ligero que consigue que estas piezas no pesen mucho, algo
importante a considerar ya que todo el peso de las mismas lo tendrá que
soportar el eje y la estructura de sujeción. Además, debido a las dimensiones
tan grandes que va a tener el equipo, cuantos más ligeros sean todos sus
componentes mejor será su desempeño y rotación.
Esta es la parte más importante del diseño del aerogenerador ya que son las
palas las que reciben el viento y lo transforman en movimiento. El diseño es
fundamental.
Para el diseño de las palas se ha tenido en cuenta que el coeficiente de
potencia del aerogenerador depende en gran medida de la forma que tengan
éstas. En el caso de los aerogeneradores Savonius más sencillos, las palas
consisten en piezas de forma semicilíndrica hueca.
El material del que están hechas las palas tiene que ser ligero ya que toda la
estructura tiene que soportar el peso, pero resistente ya que existen vientos a
distintas velocidades (algunos pueden ser muy potentes y tienen que resistirlo)
así como la fuerza centrífuga que se genera al girar.
21.2.1.
ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN LAS PALAS
Al realizar el estudio de las palas, se considera inicialmente un determinado
espesor de las palas, se calculan las fuerzas que actúan en éstas (fuerza del
viento y fuerza centrífuga) y se observa mediante cálculos si el espesor
seleccionado inicialmente es bueno para el correcto funcionamiento del equipo.
Para decidir que espesor inicial tomar, se van a calcular los desplazamientos
que tendrían las palas en la situación más desfavorable es decir, para una
velocidad de viento de 13 m/s (ráfaga de viento).
El espesor que se va a considerar para las palas es de e=5mm. Por tanto, los
radios de la parte curva serán:
Rҽ = 0.60 m
Dimensiones de las palas:
88
ILUSTRACIÓN 21-1: DIMENSIONES DE LAS PALAS:
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
ILUSTRACIÓN 21-2: ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS PALAS
89
ILUSTRACIÓN 21-3 CALCULO MASA DE UNA PALA.
Masa de la Pala
Long (m)
1.00
alto (m)
1.80
Grosor (m)
0.03
Densidad del
material
(gk/m3)
2,700.00
Masa (kg)
145.80
FUENTE: ELABORACION PROPIA
Calculo Fuerza del viento:
El viento, al chocar contra las palas, genera una fuerza que viene dada por la
expresión:
18
Siendo;
ρ= Densidad del aire
= Velocidad del Viento
Los cálculos se realizan para las condiciones más desfavorables, tendremos
que:
velocidad mayor anual en de 56 km/h (13 m/s)
y la densidad del aire para esa velocidad será de 0.89 kg/m3
Así, la Presión ejercida por el viento será:
Pviento= 75 Pa = 0.075 kN/m2
18
(TOLOSA, 1983)
90
Fuerza a la que está sometido el rotor:
La fuerza centrífuga se debe a la rotación del equipo y es la que tiende a alejar
las palas del eje de rotación. Tiene la siguiente forma:
Siendo:
m= masa de la pala (ver tabla 2)
R = radio del rotor
ῳ= velocidad de giro del rotor
F= 26.3 kN
Fuerza sometida al rotor.
Velocidad a la que gira el rotor
Tenemos la siguiente expresión:
Donde;
Λ= valor de velocidad específica. Para los aerogeneradores Savonius tiene un
valor de 0.8.
ῳ = velocidad angular medida en rd/s
R= Radio del rotor en m (0.60 m descrita en el plano)
V= velocidad del viento para la condición más desfavorable 13 m/s.
ῳ = 17.33 rd/s Velocidad angular media.
ῳ = 165.52 rpm
91
La velocidad angular, es la velocidad a la que debe girar el aerogenerador para
obtener la potencia de 200 Watts que se puede extraer del viento, que es la
potencia máxima del diseño.
Por lo tanto la Fuerza centrífuga (Fc) es;
65 N = 0.65 Kn
Potencia Eléctrica máxima:
Siendo;
Cp= descrita de en la lustración 21-4 Velocidad Tangencial vs Coeficiente de
Potencia= 0.19
ρ= Densidad del aire = 0.89 km/m3
v= 3,1 m/s
A= Área de las palas propuestas (1.00 m x 1.80 m)
Obtenemos
Peléctrica=
19 kg.m/s = 190 watts
Con este análisis podemos observar que la dimensión final que tienen las palas, la
energía producirá.
92
ILUSTRACIÓN 21-5: UNIÓN DE LAS PALAS
21.3.
DISEÑO DEL EJE PRINCIPAL
El eje principal sirve de unión entre el rotor del aerogenerador, formado por las
palas y el sistema de transmisión.
Dicho eje soporta las fuerzas horizontales del viento y el peso de la turbina,
está atornillado mediante platinas de acero a la tapa superior y en la parte
inferior esta soportada por platinas.
La parte superior del eje está unida a la polea grande del sistema de
transmisión mediante una platina.
De esta forma, se puede considerar el eje como una viga que se encuentra
apoyada en sus dos extremos y que está sometida a flexión, como
consecuencia de la acción del viento. La fuerza del viento será considerada
como una carga repartida a lo largo de la longitud de la viga donde se
encuentran las palas del rotor, es decir, a lo largo de una altura de 6.0 m.
Este eje será de tubo galvanizado de 6 metros de forma tubular hueca de
diámetro 200 mm y espesor 2 mm (Ver anexo 1 tabla de características del
tubo (ver anexo 2 tabla de propiedades y características del tubo estructural
galvanizado)
93
La fuerza aerodinámica que ejerce una corriente de aire sobre un objeto
es:
Donde:
C: coeficiente aerodinámico = Por desarrollos teóricos y comprobaciones
empíricas se sabe que los coeficientes C para palas de rotor semicilíndricas
tienen un valor de C = 2,3
ρ: densidad del material = 7.86 kg/m3
A: área transversal = 0.0027 m2
ῳ = velocidad angular medida en rd/s
Fviento eje = 6 kgf = 0.003 kN
Fviento aletas= 26.20 kN
Fuerza ejercida sobre el eje
Fuerza del viento sobre las aletas
Fuerza que ejerce el peso de la estructura;
Se dimensiona cada elemento que contiene la parte del rotor obteniendo así:
ILUSTRACIÓN 21-6 CALCULO FUERZA EJERCIDA EN EL EJE Y DEL EJE CENTRAL.
PESO DE LA ESTRUCTURA SUPERIOR
Long (m) alto (m)
PALAS
ENCOFRADO
LATERALES
SISTEMA ELECTRICO
1.00
0.70
0.70
1.80
0.70
0.30
Grosor
(m)
0.05
0.05
0.05
Densidad Densidad
del material del material CANTIDAD
(gk/m3)
(gk/m2)
2,700.00
35.00
35.00
PESO MUERTO TOTAL DE LA ESTRUCTURA SUPERIOR
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
94
4.00
2.00
2.00
Masa (kgf)
874.80
1.72
0.74
100.00
977.25 kgf
9,586.82 N
9.59 KN
ILUSTRACIÓN 21-7 CALCULO DE LA COLUMNA EJE CENTRAL
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
Ver anexo 2 y 3 tablas de densidades de los materiales.
ILUSTRACIÓN 21-8 CALCULO DEL PESO QUE DEBE SOPORTAR EL EJE
CENTRAL.
PESO DE LA ESTRUCTURA SUPERIOR
Long (m) alto (m)
PALAS
ENCOFRADO
LATERALES
SISTEMA ELECTRICO
1.00
0.70
0.70
1.80
0.70
0.30
Grosor
(m)
Densidad
Densidad
del material del material CANTIDAD
(gk/m3)
(gk/m2)
0.05
0.05
0.05
2,700.00
35.00
35.00
PESO MUERTO TOTAL DE LA ESTRUCTURA SUPERIOR
Peso (masa) de los materiales =
109.80 kg
FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA
95
4.00
2.00
2.00
Masa (kgf)
874.80
1.72
0.74
100.00
977.25 kgf
9,586.82 N
9.59 KN
El peso de todo el conjunto de los materiales es de 109 kg, el peso que soporta
la estructura del eje central es de 27 kg/m, es decir 162 kg en total soporta.
Obtenemos que el tubo galvanizado que se selecciona es capaz de soporta la
estructura superior.
21.4.
PERNOS SOMETIDOS A TRACCION
Los pernos que se encuentran sometidos a tracción en el diseño de
construcción del aerogenerador son los que unen los la platina del soporte al
suelo, con el dato de fuerza que se produce en las aspas se calcula la fuerza
de corte producida en los pernos.
Donde;
F= 24,19 kN
Obtenemos,
ᵟ = 205.15 Mpa
Asi que el esfuerzo de tracción producido en menor al esfuerzo de tensión del
materia de fabricación que es 827 Mpa, lo cual queda verificado que los pernos
no fallaran al corte durante el funcionamiento del aerogenerador.
96
Pernos sometidos a traccion
21.5.
SISTEMA DE TRANSMISION
El sistema de transmisión está conformado por el sistema de engranajes19
El cual genera la energía eléctrica, este sistema se ensambla con el fin de
aumentar la velocidad de giro que proviene del rotor, los elementos son
normalizados – estandarizados.
Con lo anterior se consigue que la velocidad de la rueda dentada en el motor
aumente su velocidad angular debido a la relación de transmisión que existe
entre los piñones calculado así;
20
19
Sistema de engranaje está formada por el acoplamiento de dos ruedas dentadas, una motriz y otra
conducida, al introducir los dientes de una en los de la otra y producir el giro de la rueda motora,
arrastra a la conducción.
20
TOLOSA, Jorge Rubén; autogeneración de energía; Ecuador; 1983
97
Donde;
V= 3.1 m/s Velocidad del viento
r= 220 mm Radio de la rueda
w= Velocidad angular
Se obtiene
W= 677 rpm
21.6.
EQUIPOS
21.6.1.
Motor
ILUSTRACIÒN 21-9: AMP FLOW M27-150-P BRUSHED ELECTRIC MOTOR, 150W, 24V OR 36 VDC, 3800 RPM
FUENTE: WWW.AMPFLOW.COM/M27-150_CHART.GIF
Este equipo capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, está
diseñado para ofrecer un alto nivel de rendimiento por ser un motor cepillado
de corriente continua de 24 V, 200W de imanes permanentes.
98
ILUSTRACIÓN 21-10: CURVAS DEL RENDIMIENTO DEL MOTOR
FUENTE: HTTP://WWW.AMPFLOW.COM/M27-150_CHART.GIF
ILUSTRACIÓN 21-11: CARACTERÍSTICAS MOTOR
FUENTE: WWW.AMPFLOW.COM/M27-150_CHART.GIF
99
21.6.2.
Regulador
21.6.3.
Batería
ILUSTRACIÓN 21-12: BATERIA UCG75-12
FUENTE: HTTP://ULTRACELL.NET/DATASHEETS/UCG75-12.PDF
Esta batería tiene un tiempo de carga largo, este tipo de batería prolonga la
vida útil de la misma, debido a que las celdas internas están recubiertas por un
gel electrolítico.
Las baterías de ciclo corto como las de los automóviles y motos en el uso, es
decir para las baterías de las motocicletas y automóviles se necesita una
corriente de arranque muy alta y que la batería está en un corto tiempo,
mientras que una batería de ciclo profundo entrega poca corriente por periodos
de tiempo de varias horas.
ILUSTRACIÓN 21-13: CARACTERISTICAS DE BATERIA
100
FUENTE: HTTP://ULTRACELL.NET/DATASHEETS/UCG75-12.PDF
Adicional a esto el aerogenerador lleva un controlador de carga para proteger
la batería frente a sobrecargas y sobre descargas profundas.
Controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la
intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil.
ILUSTRACIÓN 21-14: GRAFICAS SEGÚN CARACTERÍSTICAS
101
FUENTE: HTTP://ULTRACELL.NET/DATASHEETS/UCG75-12.PDF
102
21.7.
PRESUPUESTO
DESCRIPCION
UN
CANT
Palas en aluminio 4mm 1X1.80 son 4
m2
7.56
Cabina en aluminio 4mm long de
m2
desarrollo 2.8 h= .30
0.84
Tubo union plas h=1.80 m d= 100 mm
un
1.00
Tubo eje central h=6.00 m d= 200 mm
un
1.00
Angulos de conexión en lamina
un
3.00
Platina en acero de 0.70 x 0.70 m
un
1.00
Pernos de anclajes h= 0.60 m
un
4.00
Concreto 300 psi
m3
0.73
Acero para cimentacion
kg
80.39
INVERSOR CORRIENTE 200 W –Marca Dai
un
1.00
BATERIA DE LITIO
un
1.00
GENERADOR DAEWOO GDA. 980
un
1.00
COSTO MATERIALES INCLUIDO IVA
SE ASUME EL 30% PARA MANO DE OBRA
COSTO TOTAL
21.8.
PRECIO UN
$
$
$
$
$
$
$
$
$
$
$
$
PRECIO TOTAL
82,300.00 $
82,300.00
52,000.00
90,000.00
123,400.00
211,333.00
16,090.00
376,000.00
2,100.00
120,000.00
137,000.00
329,300.00
622,188.00
$
69,132.00
$
52,000.00
$
90,000.00
$ 370,200.00
$ 211,333.00
$
64,360.00
$ 274,780.80
$ 168,814.80
$ 120,000.00
$ 137,000.00
$ 329,300.00
$ 2,509,108.60
$ 752,732.58
$ 3,261,841.18
SEGURIDAD EN EL AEROGENERADOR
Factor imprescindible para que el equipo no esté expuesto a factores externos
que puedan afectar a su funcionamiento llegando incluso a destruirlo.
Un aspecto importante es la atracción de rayos en tormentas eléctricas. Debido
a la ubicación de estos equipos hay bastantes posibilidades de que el equipo
atraiga a rayos.
Por ello, se debe instalar y dimensionar de forma adecuada un sistema de
puesta a tierra así como un buen pararrayos.
Los pararrayos suelen estar formados por un mástil metálico, bien de acero
inoxidable, de aluminio o de cobre, y consta de un cabezal que se encuentra
unido a tierra mediante un cable conductor que suele ser de cobre. La puesta a
tierra se realiza mediante picas hincadas en el terreno o mediante placas
conductoras también enterradas. El pararrayos en principio protege una zona
teórica en forma cónica con vértice en el cabezal. Por ello, esta zona
dependerá de la forma de este cabezal. Mediante un elemento así, se consigue
103
reducir los daños que un rayo puede llegar a provocar sobre los elementos del
equipo instalado.
21.9.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO
El aerogenerador diseñado está compuesto por piezas mecánicas sencillas
tales como rodamientos, tuercas, tornillos, etc.,
En el caso de estas piezas se realizará un mantenimiento programado de la
siguiente forma:
A los tres meses: verifique y si es necesario enrosque las tuercas y
tornillos de las palas y tapas.
A los seis meses revisión íntegra de todos los componentes del
aerogenerador (rotor, sistema eléctrico, eje, transmisión ybaterías,…)
104
22.
CONCLUSIONES
Durante los últimos años la energía eólica han tenido un gran desarrollo, por tal
razón se cumple con el objetivo de presentar un diseño durable y muy simple
en su funcionamiento para la generación de energía eólica y con esto sirva
para de ejemplo para los próximos generadores.
La decisión de diseñar el aerogenerador tipo Savonius, se tomar por su
sencillez de diseño, por el uso de pocos materiales para su ligereza.
Este aerogenerador requiere una construcción más simple en comparación de
otros aerogeneradores, por esta razón el diseño permite que se empleen
materiales livianos.
El prototipo fue diseñado para trabajar con la velocidad máxima del viento que
se presenta en Yomasa, sin embrago no es muy alta en rangos generales, esta
comprende 20 m/s según los datos encontrados en los Atlas del IDEAM.
Los diferentes equipos utilizados para la conversión de energía mecánica en
energía eléctrica, permite que se presente menor mantenimiento y resultados
esperados, esto comprueba lo mencionado en cuanto a beneficio de la
obtención de la energía eléctrica por medio del viento.
Para el diseño de la estructura del aerogenerador se emplea estructura
metálica, basando el diseño en la norma NSR-10.
El diseño del aerogenerador llevado a cabo intenta dar solución a dicho
problema de una manera sencilla y aunque, desde el punto de visto ingenieril,
todavía quedan muchos detalles por fijar, mediante este proyecto se quiere dar
un primer paso que serviría para la construcción de un prototipo inicial fiable.
105
23.
RECOMENDACIONES
Los equipos eléctricos están diseñados y ensamblados para operar sobre
ambientes secos sin exposición al agua o fluidos, ya que pueden afectar su
funcionamiento por esta razón es recomendable verificar todas las uniones
periódicamente con el fin que no se produzcan filtraciones al sistema.
Se recomienda anclar los tornillos del soporte inferior del aerogenerador
cuando se esté fundiendo la placa, con ello quedaran bien fijados.
Para la conexión del equipo electrónico se debe siempre conectar en primer
lugar el control de carga a la batería y aproximadamente a la hora desconectar
el equipo, el controlador de carga debe ser el último en ser desconectado, ya
que este trabaja con la corriente que proporciona la batería.
106
24.
BIBLIOGRAFÍA
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Sistema Eolicos Pequeños. Departamento de Energia EE.UU. 2007. EE.UU : s.n., Septiembre de
2007, Enegia Eficiencia y Energia Renovable.
107
25.
FIRMAS
ESTUDIANTE
MILENA MOLINA GALINDO
CODIGO: 502591
FECHA DE PRESENTACION: OCTUBRE 28 DE 2016
ASESOR SUGERIDO
ING. PEDRO ALEXANDER SOSA MARTINEZ
FECHA DE PRESENTACION: OCTUBRE 28 DE 2016
108
26.
ANEXOS
ANEXO 1
CERTIFICADO ESTACIÓN RUIDE
109
110
111
ANEXO 2
TABLA DE PROPIEDADES DEL EJE CENTRAL
8 IN
112
113
ANEXO 3
FICHA TECNICA LÁMINA GALVANIZADA
APOYO Y ANCLAJE
114
115
ANEXO 4
PLANO
116
117
Plano general del aerogenerador
118
