UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM
MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Programa de investigación:
Energías Renovables
Línea de investigación:
Diseño y construcción del sistema de
transmisión mecánica de un aerogenerador
Presentado por:
Arturo Huber Gamarra Moreno
Huancayo-05 de enero de 2012
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM
MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Programa de investigación:
Energías Renovables
Línea de investigación:
Diseño y construcción del sistema de
transmisión mecánica de un aerogenerador
Presentado por:
Arturo Huber Gamarra Moreno
Huancayo-05 de enero de 2012
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM
MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Programa de investigación:
Energías Renovables
Línea de investigación:
Diseño y construcción del sistema de
transmisión mecánica de un aerogenerador
Presentado por:
Arturo Huber Gamarra Moreno
ÍNDICE
ÍNDICE ... 2
1 ANTECEDENTES ... 3
2 JUSTIFICACIÓN ... 4
3 OBJETIVOS Y METAS ... 5
3.1 Objetivo general ... 5
3.2 Objetivos específicos ... 5
3.3 Metas... 6
4 AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES... 6
a) Caja negra del sistema de generación eólica ... 6
b) Matriz de funciones ... 6
c) Síntesis de funciones ... 7
d) Caja blanca del grupo ... 8
4.1 Políticas de investigación ... 8
4.2 Programa de investigación... 9
4.3 Línea de investigación... 9
a) Caja negra del sistema de transmisión mecánica ... 9
b) Matriz de funciones del sistema de transmisión mecánica directa ... 11
c) Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica... 11
d) Caja blanca del sistema de del sistema de transmisión mecánica directa... 11
4.3.1 Denominación... 12
4.3.2 Objetivo... 12
4.3.3 Problemas... 12
5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ... 13
6 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO... 13
7 SOPORTE... 15
7.1 Capital humano ... 15
7.2 Materiales, equipamiento e instrumentos ... 16
8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN ... 17
9 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ... 20
1 ANTECEDENTES
En la universidad de Chile, facultad de ciencias físicas y matemáticas del
departamento de ingeniería eléctrica se desarrolló el trabajo de tesis
denominado “Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de
eje vertical” elaborado por “Antezana Núñez, Juan Cristobal”, quien
investigó para titularse como ingeniero Civil Electricista el año 2004, y de
cuyo trabajo se concluye que: “El diseño e implementación de un prototipo
de aerogenerador de eje vertical permite abastecer de energía eléctrica a
pequeños consumos en zonas aisladas de la red, y tuvo como propósito
aprovechar el recurso eólico, práctico poco habitual considerando el
potencial energético que posee Chile”.
De igual forma en la universidad de Zaragoza España en la tesis “Diseño y
Construcción de un aerogenerador de 100 W para su aplicación de zonas
indígenas de México”, cuyo autor es: “Pérez Ramiro Rodrigo” quien
investigó para titularse como Máster Europeo en energías renovables
durante el año 2006, cuyo trabajo tuvo como objetivo principal “desarrollar
la tecnología de diseño, fabricación e instalación de aerogeneradores
pequeños para el cargado de baterías, para el desarrollo de este generador
se tomó como base el diseño realizado por ITDG Perú y HUGG Piggot para
lo cual fue necesario evaluar también las condiciones energéticas eólicas
del lugar con el fin de conocer los parámetros característicos del viento”.
También En la Universidad de Chile se encuentra la memoria, titulada
“Diseño de aerogeneradores con imanes permanentes para su utilización
presentó y sustentó para optar el título de Ingeniero Civil Electricista en el
año 2007, de cuyo trabajo de investigación se deduce la siguiente
conclusión final: “una alternativa factible para solucionar la carencia de
abastecimiento en zonas aisladas de dicho país es el aprovechamiento de
la energía eólica, por lo que se logró diseñar una máquina de generación
eólica capaz de entregar 40,65 MWh anuales. En dicho trabajo además se
expone el completo procedimiento necesario para la realización del diseño
de un generador síncrono de imanes permanentes, acompañado de las
consideraciones de diseño necesarias para su utilización en una turbina
eólica. También se aborda el problema de abastecimiento de energía
eléctrica en zonas rurales, para lo cual se realizó estudios climáticos y de
consumo eléctrico en una localidad, con lo que se pudo aplicar la solución
propuesta, un aerogenerador de flujo axial de imanes permanentes como
fuente de generación de energía eléctrica, presentando un procedimiento
para la creación y evaluación de este tipo de proyectos.”
2 JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo se enfocará a sectores de la población de escasos
recursos, que se ubican en zonas aisladas del Valle del Mantaro con
potencial eólico y que no pueden acceder fácilmente a la energía eléctrica;
ya sea por ubicarse en un entorno de difícil acceso y condiciones extremas,
o por su situación socioeconómica; por ello, la solución propuesta en el
presente trabajo de investigación va dirigido principalmente a suplir las
necesidades de esos sectores de la región, que por su situación
suficiente para un adecuado desarrollo y mejoramiento de la calidad de
vida.
Es importante resaltar también el hecho de que la creciente demanda de
energía eléctrica, cada vez más indispensable en todas las actividades
humanas, hace necesario buscar nuevas formas de satisfacerla, con la
desventaja de que actualmente gran parte de esta generación resulta
ineficiente, pues no se toman en cuenta factores ambientales necesarios
para el desarrollo humano, por lo cual, la potenciación de energías
renovables que no afecten el entorno es crucial en la generación energética en el presente siglo.
Es por dichos motivos que se plantea realizar un proyecto que permita
solución es prácticas de acorde a la zona, aprovechando los vientos
locales, por medio del diseño de “aerogeneradores de baja potencia”, que
buscan en primera instancia apoyar a sectores desfavorecidos de la región
central del Perú.
3 OBJETIVOS Y METAS
3.1 Objetivo general
Obtener energía eléctrica de baja potencia en zonas aisladas del valle del
Mantaro mediante un sistema de generación eólica.
3.2 Objetivos específicos
Estudiar el potencial eólico de las zonas aisladas del valle del Mantaro.
potencia.
Aplicar el sistema degeneración eólica de baja potencia en una zona
aislada del valle del Mantaro.
3.3 Metas
Diseñar y construir un prototipo de un sistema de generación eólica de
baja potencia para suministrar energía eléctrica a una zona aislada del
valle del Mantaro.
4 AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES
a) Caja negra del sistema de generación eólicaFigura. 1.1: Caja negra del sistema de generación eólico
b) Matriz de funciones
Tabla 1.1: Elementos y funciones del sistema de generación eólica
ELEMENTO FUNCIÓN
Rotor Convierte la fuerza del viento en el par necesariopara generar la potencia útil. Palas Captar la energía dinámica absoluta para convertir
en un movimiento rotacional.
Bujes Sirve de acoplamiento entre la pala y el rotor Árbol de baja
velocidad Transfiere el par torsor desde el rotor al resto deltren de potencia.
SISTEMA DE GENERACIÓN EÓLICA
Energía eléctrica
Variable
Independiente DependienteVariable
Energía
Acoplamiento Tiene como función conectar los árboles
Freno Reduce las revoluciones del rotor cuando es necesario. Actúa cuando la velocidad del viento es demasiado alta, y existe el riesgo de rotura del rotor o las aspas. Está gobernado por el controlador. Caja multiplicadora
de engranajes Tiene como función adaptar la baja velocidad deleje del rotor a las mayores velocidades de operación del generador eléctrico.
Árbol de alta
velocidad Tramsitir el par del rotor para una velocidad derotación alta del generador. Generador
asíncrono Produce energía eléctrica en el estator, cuando lavelocidad de giro de su rotor, impulsado por el eje de alta, es superior a la velocidad de giro del campo magnético de excitación creado por el estator. Generador síncrono Convierte la energía mecánica de rotación en
energía eléctrica.
Motoreductor Se encarga hacer girar la corona de orientación según la dirección del viento. Este mecanismo está gobernado en todo momento por el controlador. Veleta Detecta la dirección en la que sopla el viento. Este
aparato la manda los datos al controlador, para que este actúe sobre el motor de orientación en consecuencia.
Sensores Captan señales sobre los parámetros de operación del sistema.
Acondicionador de
señal Chequean la velocidad y la dirección del viento. Torre Elevar el rotor de la maquina respecto del nivel del
suelo.
Góndola Proteger de los agentes atmosféricos.
c) Síntesis de funciones
Tabla 1.2: Síntesis de funciones
Elementos Esencial No esencial
Rotor X
Palas X
Bujes X
Árbol de baja velocidad Acoplamiento X Freno X Caja multiplicadora de engranajes X
velocidad Generador
asíncrono X Generador
síncrono X Motoreductor X Veleta X
Sensores X
Acondicionador
de señal X
Torre X
Góndola X
d) Caja blanca del grupo
Figura. 1.2: Caja blanca del sistema de generación eólico
4.1 Políticas de investigación
Las políticas propuestas para el presente trabajo de investigación se
detallan a continuación:
Los proyectos de investigación deben resolver problemas de
generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la
energía eólica, de acuerdo a las líneas de investigación sugeridas para
los programas de estudio de postgrado que financia el MINEM
(CARALEC).
Captacion Transmisión
Mecánica Generacióneléctrica
Regulación y control Orientación
Soporte
Energía cinética
del viento
Energía eléctrica
+
+ +
+
+ +
+ +
+
La investigación en este caso es necesaria para resolver problemas de
falta de energía en zonas rurales aisladas, para mejorar la calidad de
vida de los pobladores.
Los integrantes del equipo de investigación de sistema de generación
eólica ejecutarán el proceso de investigación durante el desarrollo de
estudios concluyendo al finalizar el último semestre con la sustentación
del borrador de tesis.
Las actividades de investigación han de efectuarse en zonas rurales
aisladas de la región, y en la UNCP.
Los proyectos de investigación utilizarán el método científico y el
enfoque sistémico.
Los proyectos de investigación requieren de la construcción de
modelos y prototipos
La investigación será compartida entre los integrantes del equipo de
investigación, la comunidad beneficiaria así como expertos en el tema
a quienes se recurrirá a través de consultas oportunas.
4.2 Programa de investigación
Energías renovables
4.3 Línea de investigación
Figura. 4.1: Caja negra del sistema de transmisión mecánica
En la mayoría de los diseños, la velocidad de giro de la turbina no se
corresponde con la velocidad de giro del generador y es necesario
incluir una caja multiplicadora.
El cuerpo de baja velocidad de este elemento se acopla al rotor eólico
a través del eje primario o eje lento y el cuerpo de alta velocidad al
generador eléctrico mediante el eje secundario o eje rápido. Además,
en el tren de potencia se incluyen los apoyos del sistema de giro con la
estructura de la góndola y el freno mecánico, cuya función es bloquear
la turbina en operaciones de mantenimiento y eventualmente contribuir
a paradas de emergencia.
Las funciones del tren de potencia no se limitan a transmitir la potencia
mecánica con el mayor rendimiento posible, sino que sus componentes
deben estar diseñados para soportar los esfuerzos de empuje
admitidos por el rotor eólico. Por otra parte, un buen diseño del tren de
potencia debe garantizar que dos sus elementos sean de fácil montaje
y sustitución en caso de avería.
Es necesario tener en cuenta que hoy día el empleo de generadores
SISTEMA DE TRANSMISION MECANICA
Alta velocidad rotacional del eje del hacia el generador eléctrico
Variable
Independiente DependienteVariable
multipolares directamente acoplados, esto es sin caja multiplicadora, es
una solución muy prometedora en los diseños de turbinas más
modernas.
b) Matriz de funciones del sistema de transmisión mecánica directa Tabla 4.1: Atributos y funciones del sistema de transmisión
mecánica directa
ATRIBUTO FUNCIÓN
Eje del rotor de baja
velocidad Entrega el torque desde el rotor de baja rpm al restodel tren de potencia Freno mecánico La función principal del freno mecánico es mantener bloqueado el eje de giro durante las operaciones de puesta en marcha y mantenimiento del
aerogenerador. Cojinete Aloja al rodamiento Rodamiento Permite la rotación del eje
c) Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica
A continuación se en la tabla 4.2. se detalla la síntesis de las funciones
del sistema de transmisión mecánica directa:
Tabla 4.2: Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica directa
ELEMENTO Primario Secundario
Eje del rotor de
baja velocidad X Freno mecánico X Cojinete X Rodamiento X
Figura. 4.2: Caja blanca del sistema de transmisión mecánica directa
4.3.1 Denominación
Diseño y construcción del sistema de transmisión mecánica de un
aerogenerador.
4.3.2 Objetivo
Diseñar y construir los componentes un sistema de transmisión
mecánica directa del sistema de generación eólica.
4.3.3 Problemas
PROBLEMA PROBLEMAS
Descriptivo
¿Cuáles son las características del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y freno mecánico que permiten lograr velocidad rotacional alta hacia el eje del generador multipolo?
Explicativo
Experimental
¿Qué pasa con la velocidad rotacional del eje hacia el generador multipolo si se modifica la estructura del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y freno mecánico?
Aplicada
¿Cómo combinar las formas o estructuras del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y freno mecánico para mejorar la velocidad rotacional del eje hacia el generador multipolo?
5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ACTIVIDAD 2011 2012 2012 2013
I SEMESTRE SEMESTREII SEMESTREIII SEMESTREIV D E F M A M J J A S O N D E F M
Sistema
problemático x x x x Presentación e
inscripción del
plan de tesis x x x x Desarrollo de la
tesis x x x x x x
Presentación y pre
sustentación de borrador de tesis
x x x x
6 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO
Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio;
Castro Gil Manuel-Alonso (2009), señalan que un sistema de generación
A) Subsistema de captación:
B) Subsistema de transmisión mecánica
C) Subsistema de generación eléctrica
D) Subsistema de orientación
E) Subsistema de regulación
F) Subsistema de soporte.
Dichos autores también indican que un sistema de transmisión mecánica
para generación de potencia en sistema eólico esta formado por un eje que
transmite el movimiento rotacional del rotor y la potencia al multiplicador de
velocidad. Un soporte que permite la rotación del eje en el cojinete de
rodamientos. Un ajuste y alineamiento adecuado permitirá el
funcionamiento con un mínimo de perdida por fricción.
Así mismo, Álvarez Munguía Ricardo (2008) afirma que “Una de las
soluciones más atractivas que han aparecido en los últimos años consiste
en la eliminación de la caja multiplicadora que adecúa la velocidad de giro
de la turbina a la del generador. De este modo se elimina uno de los
elementos más sujetos a fallos y se incrementa la fiabilidad del sistema.
Otras ventajas derivadas de la eliminación de la caja multiplicadora
provienen de la disminución de los requerimientos de mantenimiento y de
las pérdidas asociadas. Se ha de mencionar también la reducción del ruido
emitido por la aeroturbina.
necesidad de incorporar generadores de baja velocidad, con elevado
número de polos (con el consecuente aumento del tamaño del generador).
En general, el diámetro de estos generadores es inversamente
proporcional a la masa de material electromagnéticamente activo.
En el caso de pequeños aerogeneradores con generador asíncrono de
jaula de ardilla se puede prescindir de la caja multiplicadora, con las
grandes ventajas que ello conlleva”
7 SOPORTE
7.1 Capital humano
El equipo de trabajo para el estudio y ejecución del presente trabajo de
investigación está constituido por:
NOMBRES Y
APELLIDOS OBLIGACIONES CAPITAL HUMANO APORTE ALTRABAJO
Raúl Mayco
Chávez Responsable Profesor adscrito FIM-UNCPPrincipal Dictado de asignaturas:
Termodinámica, Centrales hidroeléctricas,
centrales termo-hidráulicas.
Estudio de Maestría: Tecnología energética
Análisis y diseño en el sistema de transmisión
Edmundo
Muñico Casas Colaborador Profesor adscrito FIM-UNCPAsociado Dictado de asignaturas: Mecánica de fluidos, turbo maquinas,
termodinámica,
energías no convencionales,
centrales
termohidráulicas
Estudio de Maestría: Desarrollo Rural sostenible
Rolando Montalván Lozano
Colaborador Profesor Asociado adscrito FIM-UNCP Dictado de asignaturas: Maquinas eléctricas, electrónica Estudio de Maestría: Administración
Finanzas
Estudio de Doctorado: Ingeniería eléctrica
Análisis y diseño en el sistema del generador eléctrico
Mario Arellano
Vílchez Colaborador Profesor adscrito FIM-UNCPAuxiliar Dictado de asignaturas: Análisis matemático
Estudio de Maestría: Administración
mención informática para la gestión
Estudio de Doctorado: Tecnología energética
Análisis y diseño en el sistema de captación con difusor
Arturo Gamarra
Moreno Colaborador Profesor adscrito FIM-UNCPAuxiliar Dictado de asignaturas:
Matemática básica Estudio de Maestría: Administración
mención informática para la gestión
Estudio de Doctorado: Sistema
Análisis y diseño del sistema de transmisión directo
Armando
Calcina Sotelo Colaborador Profesor adscrito FIM-UNCPAuxiliar Dictado de asignaturas: Motores de combustión interna Estudio de Maestría: Ciencias energéticas con mención en gas natural
Análisis y diseño en el sistema del regulación y control
Materiales Fibra de vidrío
Madera
Sensores y otros elementos electrónicos
Imanes permanentes
Rodamientos
Equipos e Instrumentos Anemómetro
Ordenador
GPS
Tacómetro
Voltímetro
8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Considerando en este caso la siguiente línea de investigación: Diseño y
Del gráfico anterior y de las referencias bibliográficas así como del interés
por financiar proyectos por CARELEC se concluye que las investigaciones
aplicadas referentes a encontrar las mejores soluciones para el sistema de
transmisión directa en este caso, será la que mayor importancia tiene.
Es necesario tener en cuenta la propuesta como trabajos futuros que hace
Baillarie Rosenmann Paul (2007) quien señala: que “Debido a la positiva
evaluación teórica de la implementación de aerogeneradores de eje
horizontal para el abastecimiento de energía eléctrica en zonas rurales, se
plantea como desafíos futuros para trabajos que sigan en esta misma línea,
el que parece como paso lógico a seguir, la confección de un prototipo de
este aerogenerador de eje horizontal, a fin de lograr el conocimiento
práctico del cual aún Chile carece, con miras a concretar la
manufacturación de este tipo de tecnología en forma local, siendo éste el
camino para concretar una futura independencia energética, sobre todo en
vista del próximo agotamiento de los combustibles fósiles, hecho que será
precedido por el aumento inconmensurable de sus precios, lo que dañaría
seriamente la economía de dicho país si se enfrentase ese momento con la
actual matriz energética del país, donde la generación eléctrica en base a
9 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Álvarez Munguía Ricardo. Mejora del rendimiento de un generador eólico
asíncrono conectado a la red, mediante convertidores electrónicos y
controladores de lógica borrosa. Tesis Doctoral. España: Universidad de
Salamanca 2008
Antezana Núñez, Juan Cristobal. Diseño y construcción de un prototipo de
generador eólico de eje vertical. Tesis de grado. Chile: Universidad de
Chile 2004.
Baillarie Rosenmann Paul. Diseño de aerogeneradores con imanes
permanentes para su utilización en electrificación rural. Tesis de grado
Chile: Universidad Chile. 2007
Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio;
Castro Gil Manuel-Alonso. Centrales de Energías renovables. Generación
eléctrica con energías renovables. Madrid, España: Pearson Educación
S.A. 2009.
Pérez Ramiro Rodrigo. Diseño y Construcción de un aerogenerador de 100
W para su aplicación de zonas indígenas de México. Tesis de Maestría.
España: Universidad de Zaragoza; 2006
Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de
ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA MAESTRIA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
APELLIDOS Y NOMBRES DEL MAESTRANDO
Gamarra Moreno_Arturo Huber______________________________________ _______________________________________________________________
LINEA DE INVESTIGACIÓN
Diseño y construcción del sistema de transmisión mecánica de un aerogenerador___________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________
TEMA DE TESIS
Sistema de transmisión mecánica directa para aumentar la baja velocidad de rotación del rotor de un aerogenerador
PROBLEMA
¿Cómo combinar las formas o estructuras del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y freno mecánico para mejorar la velocidad rotacional del eje hacia el generador multipolo?
__________________________ Tesista
__________________________ V°B° Docente
