Diseño Construcción de un Prototipo de Turbina Eólica de 60 W, para Suministro Eléctrico de Zonas Urbanas

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE TURBINA EÓLICA

DE 60 W, PARA SUMINISTRO ELÉCTRICO DE ZONAS URBANAS

Daniel Enrique Lugo García Laura Daniela Bejarano Acero

Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica suministro eléctrico de zonas urbanas; para dicho objetivo se realizó un análisis sobre el potencial eólico de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas sede Tecnológica;

posteriormente se seleccionó el

aerogenerador más apropiado a partir de cuatro opciones. Una vez escogida la mejor opción se delimitaron y definieron todas sus variables, incluyendo aspectos de materiales, geometría y resistencia. Se realizó un diseño preliminar del prototipo, se procedió a generar planos y se concluyó con el proceso de fabricación. Finalmente se realizó el ensamblaje y puesta a punto del equipo, para realizar pruebas validando los cálculos iniciales y caracterizando el equipo.

Palabras claves: aerogenerador, eje vertical, savonius.

Abstract

In this project the design and construction of a prototype vertical axis wind turbine Savonius type, for electricity supply in urban areas was made; for that purpose an analysis of the wind potential of the University Francisco Jose de Caldas was conducted

based Technology; then the most appropriate wind turbine was selected from four options. After selecting the best option they will be delimited and defined all its variables, including aspects of materials, geometry and resistance. A preliminary prototype design was done, we proceeded to generate flat and ended with the manufacturing process. Finally the assembly and adjustment of the equipment was performed for testing and validating the initial estimates characterizing the team.

El proyecto se desarrolla en tres etapas, la documentación de los resultados obtenidos.

2.

Objetivos

2.1. Objetivo General

Diseñar y construir un prototipo de turbina eólica que genere 60 W, trabajando en un rango de velocidades promedio del viento entre 2 y 4 m/s, para la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica.

2.2. Objetivos Específicos

 Determinar las condiciones ambientales de operación del equipo.

 Analizar mínimo cuatro tipos de turbina y seleccionar la que más se ajuste a los requerimientos.

 Diseñar la turbina, ideando y

seleccionando las piezas necesarias para su funcionamiento.

 Construir el prototipo de turbina

 Realizar puesta a punto del equipo.

 Medir potencia generada por el equipo

3.

Antecedentes

 Diseño de un generador eólico de eje vertical de baja potencia, universidad

tecnológica de Pereira (Torres

Morimitsu, 2015) En este trabajo, el análisis y diseño de un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius es desarrollado y planteado como un método para

aprovechar el potencial eólico de la Universidad Tecnológica de Pereira. El generador eólico planteado trabaja con una velocidad de viento nominal de 4,2 m/s y 3 W de potencia, que se usaron dentro de un circuito para cargar una batería de 12V, para ser utilizada en dispositivos tales como UPS, equipos médicos y de comunicación.

 Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical para generación de baja potencia, universidad industrial de Santander. (Orduz Berdugo & Suárez Perez, 2011) Este trabajo trata del diseño y construcción de un sistema prototipo para generación de electricidad a baja potencia. El diseño contempla los aspectos generales del diseño de un rotor de eje vertical de alabe recto. Además se incluye el desarrollo de un alternador de imanes permanentes para acople directo al equipo y la implementación de un sistema básico de rectificación de corriente.

4.

Análisis Potencial Eólico

Ilustración 1, Velocidad (Superficie en colores y vectores) y dirección (vectores) del viento en Bogotá

durante 2014. ((RMCAB), 2015)

Ilustración 2, muestra el comportamiento de la velocidad del viento según su horario. ((RMCAB), 2015)

De la Ilustración 2 se obtiene que para el área donde se encuentra la universidad, existen valores promedios de entre 2 y 2.5 m/s. sin embargo estos valores incluyen las 24 horas del día y al observar la ilustración 9 se pude determinar que en horas de la tarde se generan los valores máximos de velocidad,

los cuales están por encima de 2m/s y pueden llegar a alcanzar los 4m/s.

Sin embargo, para hacer más representativa, la información se toma en cuenta los datos de la estación ubicada en la universidad distrital (Tabla 1) facultad tecnológica, la cual nos arroja un promedio de 3.33m/s durante las horas de la tarde en 9 meses durante el 2014 y 2015.

Tabla 1, velocidad media horario de la tarde, estación de la Universidad Distrital

Año Mes velocidad m/s

2014 Junio 5.35

2014 Julio 3.11

2014 Agosto 5.73

2014 Septiembre 4.78

2014 Octubre 2.17

2014 Noviembre 2.02

2014 Diciembre 2.02

2015 Enero 2.44

2015 Febrero 2.35

PROMEDIO 3.33

Teniendo en cuenta los datos observados para nuestra zona de interés se opta por trabajar con un valor medio entre 2.5 y 4 m/s.

V=3.5 m/s

5.

Selección Del Aerogenerador

 Rendimiento: aproveche al máximo el potencial eólico.

 Baja Velocidad de viento: Trabaje con velocidades de viento de entre 2 a 4 m/s.

 Confiabilidad: ya que es un prototipo, se requiere que no exista altos niveles de incertidumbre en cuanto a su diseño.

 Costo: su costo de fabricación debe ser bajo menor a $2’500.000.00

 Mantenimiento: las piezas deben ser de

fácil alcance y bajos costos

mantenimiento.

5.2. Alternativas de diseño

Para diseñar un generador, con velocidades tan bajas de viento, era necesario escoger entre aquellos que requirieran la más baja velocidad de arranque. Siendo así se

preseleccionaron cuatro tipos de

aerogeneradores, que se encontraban dentro del rango de velocidades requeridas.

a) Aerogenerador de eje vertical tipo Savonius

b) Aerogenerador de eje vertical tipo Darrieus

c) Aerogenerador de eje horizontal multipala

d) Aerogenerador hibrido Darrieus giromill, Savonius

Tabla 2, selección del prototipo

La mejor opción de diseño es un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius:

siendo el modelo más sencillo consta de dos o tres alabes curvos, y se caracteriza por trabajar en vientos de poca intensidad ya que trabajan en función de la fuerza de arrastre que genera el viento sobre ellos. Además que garantizan mayor confiabilidad dado su diseño sencillo, que a su vez permite piezas de bajo costo de fabricación y fácil acceso.

6.

Rendimiento aerodinámico

El rendimiento aerodinámico se define como la relación entre la potencia generada por el aerogenerador y la energía del viento que atraviesa el rotor. (Fernández Díez, 2007).

Ilustración 3, Curvas (Cp-TSR) ( (Fernández Díez, 2007)

Considerando las curvas (Cp-TSR)

Ilustración 3, se puede obtener el valor del rendimiento aerodinámico, teniendo en cuenta el tipo de aerogenerador a usar.

rendimiento aerodinámico se tomara como 0.19, con un TSR de 0,8.

7.

Diseño Del Aerogenerador

Parámetro Valor

Velocidad Del Viento 3.5m/S

Densidad Del Aire 𝜌 = 1 𝑘𝑔/𝑚3

Potencia útil 60w

𝜂𝑚: Eficiencia mecánica 0.95

𝜂𝑒: Eficiencia eléctrica 0.90

𝐶𝑝: Coeficiente de potencia 0.19

Para una potencia de 60w, el área obtenida excedería el tamaño óptimo de diseño, por tal razón se diseña un solo prototipo con una potencia de 10W.

Tabla 3, Área barrida requerida según potencia útil (autores)

Potencia Área barrida (m2)

10W 2.87

60W 17.23

7.2.Diseño de los alabes

Según la experiencia de otros autores, la relación entre el diámetro (d) y la altura (h), que mejor funciona está dada por la ecuación [1] (Fernández Díez, 2007), para nuestra aplicación se distribuye tal como se ve en la Ilustración 4.

ℎ = 2𝑑

[1] ( (Fernández Díez, 2007))

Ilustración 4, Área barrida

En general los mejores resultados en este tipo de generadores se obtienen usando dos alabes semicirculares y simétricos. (Adicionalmente para facilitar el par de arranque se divide la altura del rotor de tal modo que se obtengan dos rotores iguales desfasados entre si 90° (Ilustración 5). ( (Rodriguez Devis, 2011) (López, 2012)

Ilustración 5, modulación elegida

7.3.Diseño Del Eje

Ilustración 6, Carga de viento sobre el eje (autores)

7.4.Diseño de la estructura

Para cumplir los requerimientos debía construirse una estructura de bastante alta, facilitando su transporte e instalación. Se decide dividir su longitud en dos secciones. La primera sección soporta el eje, los alabes y la transmisión junto con el sistema eléctrico. La segunda sección actuara como base para la primera, ayudándole a cumplir el requerimiento de altura. La Ilustración 7, muestra cómo se distribuyó.

Ilustración 7, estructura de soporte

8.

Generador

Las turbinas eólicas que utilizan generadores síncronos suelen usar imanes en el rotor

alimentados por corriente continua de la red eléctrica. Sin embargo de estos se

desprenden los motores de imanes

permanentes, los cuales trabajan con potentes imanes fabricados a partir de tierras raras, los cuales remplazan el electro imán y permiten trabajar sin ningún tipo de conexión directa.

Las bicicletas eléctricas, bastante populares desde hace un tiempo, ya que ostentan mayor autonomía y confiabilidad que anteriormente, poseen un motor eléctrico de

imanes permanentes, construido

específicamente para ser parte de la rueda trasera. Éste tipo de motores trabajan con voltajes de entre 36 y 48 v, y entregan una potencia de 350 a 500 W.

Ilustración 8, motor bicicleta (biologica)

9.

Transmisión

Para el presente diseño se escoge una transmisión por cadena, puesto que generó la mayor calificación, no tiene valores por debajo del promedio y tiene el valor más alto en armonía debido a que el generador eléctrico, permite un acople por cadena.

Ilustración 9, acople transmisión

Puesto que el sistema de transmisión por cadena que posee una bicicleta es de bajo costo y fácil acceso, se toma la decisión de modificar el acople del eje (Ilustración 9), para que sea armónico con el sistema de la bicicleta.

10.

Sistema Eléctrico

Para realizar el diseño de esta sección, se debe contemplar uno de nuestros objetivos, y es el hecho de que debía cargar algún tipo de aparato electrónico. Siendo así, es necesario saber que carga reciben este tipo de elementos. Un celular carga con 5V y 700mma, la corriente varía entre 100+/- según el modelo.

Para lograr llegar a esa carga se diseña un sistema simple que permite dar carga al celular y a la vez realizar pruebas sin inconvenientes.

11.

Resultados

El montaje del equipo se realizó en el lote de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, facultad tecnológica. Se realizaron diferentes pruebas para asegurar que el equipo funcionaba de manera óptima.

En la puesta a punto del equipo se observó que los elementos de fijación usados en los alabes debían ser tuercas de seguridad o elementos fijos; que era necesario utilizar algún mecanismo para evitar que los alabes se deformaran por la acción del viento sobre estos; que por la irregularidad del terreno era importante el uso de templetes que evitaran vibraciones en el equipo (Ilustración 10).

Ilustración 10, montaje final

Ilustración 11. Curva característica del aerogenerador (Los autores)

Tomadas las medidas anteriores se y para

dar una idea del comportamiento

característico del equipo se hizo una toma de alrededor de100 datos. La ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.

muestra tres curvas, la curva de valor teórico del funcionamiento, la curva real, donde muestra los datos tomados, y una curva final que muestra la tendencia central de los datos, y que tomaremos como curva característica del equipo.

12.

Conclusiones

 La estructura se instaló sin

inconvenientes, pero debido a su diseño, es bastante difícil cambiarla de lugar. Por eso es recomendable que para turbinas de este tamaño, se le añadan elementos que permitan su traslado una vez que están armados.

 El sistema eléctrico que se diseño es útil solo para efectos de pruebas puesto que cuenta solo con una batería y en el momento en que se llene dejara de recolectar. Por tal razón es necesario diseñar un sistema automatizado que recolecte la energía en todo momento.

manejable y manteniendo un rango de potencia útil para diferentes usos.

Aunque este aerogenerador alcanza a producir los 60W de potencia con ráfagas de viento superiores a los 6 m/s; se recomienda hacer un sistema eólico que esté compuesto por seis unidades de 10 w, si lo que se quiere conseguir es una producción media de 60 W.

 La recolección de datos de velocidad de viento con la que se basó el proyecto, muestra que hay horarios del día en los que la velocidad del viento no es aprovechable pues tiene datos menores a 1 m/s; dicho factor hace la producción eléctrica del aerogenerador no esté proyectada a dar un abastecimiento directo, sino a funcionar mejor como una isla, es decir un dispositivo que almacena energía eléctrica por medio de baterías, pero no está conectada directamente a la red.

 Con las condiciones de potencial eólico que cuenta la facultad tecnológica de la Universidad Distrital, el tipo de aerogenerador seleccionado en este proyecto, Aerogenerador de eje vertical tipo Savonius, dio resultados bastante favorables, en primer lugar al ser un dispositivo de eje vertical aprovecha las corrientes de viento en diferentes direcciones, sin necesidad de usar algún tipo de orientador, eso aumenta el rango de tiempo de funcionamiento, y facilita su ubicación, además, al funcionar como un aerogenerador de arrastre, permite su funcionamiento con regímenes de viento bastante bajos, alrededor de los 1,2 m/s,

Calidad del Aire.

126PM04-PR84-M-A2-V2.0.

[2] biologica. (s.f.). MOTOR ORIGINAL DE

BICICLETA ELÉCTRICA ESTILO MOTO.

Obtenido de

http://biologica.com.co/producto/moto r-500w-16/

[3] Fernández Díez, P. (2007). Energía

eólica. España: Universidad de

Cantabria.

[4] López, M. V. (2012). Ingeniería de la

Energía Eólica. marcombo.

[5] Orduz Berdugo & Suárez Perez. (2011).

Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical para generación de baja potencia,universidad

industrial de Santander. santander.

[6] Palacio, A. J. (2013). Diseño de detalle de un generador eólico tipo Savonius.

[7] Rodriguez Devis, J. (2011). Coeficiente de potencia en molinos Savonius.

Ingenieria e investigación, 3(4), 62-67.

[8] Torres Morimitsu, D. (2015). Diseño de un aerogenerador eólico de eje vertical de baja potencia. Proyecto de Grado

Ingeniería Mecánica. Pereira, Colombia:

Autores

Laura Bejarano, es proyectista de ingeniería. Ha realizado estudios en ingeniería

mecánica. Sus áreas de interés son energía renovable, uso sustentable de recursos, industria palmera.

e-mail: [email protected]

Daniel Enrique Lugo García, es “residente de obra”. Ha realizado estudios en

“soldadura de mantenimiento”. Sus áreas de interés son “Diseño Mecánico”