UNIVERSIDAD ANDINA
NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE: INGENIERÍA MECÁNICA
ELÉCTRICA
ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE LA VARIACIÓN DE LAS
VELOCIDADES PARA UN AEROGENERADOR DE
20kW MEDIANTE EL SOFTWARE
SOLIDWORKS
TESIS PRESENTADA POR:
Bach. EDWIN PALLI PALLI
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
JULIACA – PERÚ
DEDICATORIA
A Dios
Por darme la vida y estar siempre conmigo,
guiándome en mí camino.
A mis Padres
El esfuerzo y las metas alcanzadas, refleja la
dedicación, el amor que invierten sus padres en sus
hijos. Gracias a mis padres son quien soy,
orgullosamente y con la cara muy en alto agradezco
a Flavio Palli Amanqui y Martha Palli Mamani, mi
mayor inspiración, gracias a mis padres he
AGRADECIMIENTO
Gracias a dios por permitirme tener a mi
familia, gracias a mi familia por apoyarme en cada
decisión y proyecto, gracias a la vida porque cada
día me demuestra lo hermosa que es la vida y lo
justa que puede llegar a ser; gracias a mi familia por
permitirme cumplir con excelencia en el desarrollo
de esta tesis. Gracias por creer en mí y gracias a
Dios por permitirme vivir y disfrutar de cada día.
No ha sido sencillo el camino hasta ahora,
pero gracias a sus aportes, a su amor, a su inmensa
bondad y apoyo, lo complicado de lograr esta meta
se ha notado menos. Les agradezco, y hago presente
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA ... 2
AGRADECIMIENTO ... 4
ÍNDICE GENERAL ... 5
ÍNDICE DE TABLAS ... 8
ÍNDICE DE FIGURAS ... 9
RESUMEN ... 12
ABSTRACT ... 13
INTRODUCCIÓN ... 14
CAPITULO I EL PROBLEMA 1.1. Análisis de la situación problemática ... 17
1.2. Planteamiento del Problema ... 19
1.2.1. Problema general o pregunta general ... 19
1.2.2. Problemas específicos o preguntas específicas ... 19
1.3. Objetivos de la investigación ... 19
1.3.1. Objetivo general ... 19
1.3.2. Objetivos específicos ... 19
1.3.3. Justificación del estudio ... 20
1.4. Hipótesis... 22
1.4.1. Hipótesis general ... 22
1.4.2. Hipótesis específicas... 22
1.4.3. Variables ... 22
1.4.4. Operacionalización de las variables ... 23
CAPITULO II MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes del estudio ... 25
2.1.1. Antecedentes internacionales ... 25
2.1.2. Antecedentes nacionales ... 26
2.1.3. Antecedentes locales... 27
2.2. Bases teóricas ... 29
2.2.1. Definición de energía eólica ... 29
2.2.3. El efecto del parque de aerogeneradores ... 36
2.2.4. Partes de un aerogenerador ... 37
2.3. Condiciones meteorológicas de la zona del proyecto ... 41
2.4. Parámetros característicos del viento atmosférico ... 44
2.4.1. Intensidad de Turbulencia ... 44
2.4.2. SOLIDWORKS ... 44
2.5. Marco conceptual ... 48
2.5.1. Aerogenerador ... 48
2.5.2. Energía eléctrica ... 48
2.5.3. Simulación ... 48
2.5.4. Software SOLIDWORKS ... 49
2.5.5. Variación del viento en la industria eólica ... 49
2.5.6. Velocidad del viento ... 49
CAPITULO III METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1. Tipo de investigación ... 51
3.2. Técnicas e instrumentos ... 51
3.3. Procedimientos ... 52
3.4. Diseño de la prueba de hipótesis ... 53
3.5. Población y muestra ... 53
3.6. Matriz de consistencia ... 54
CAPITULO IV ANÁLISIS Y CÁLCULOS 4.1. Velocidad del aerogenerador de 20kW ... 56
4.2. Velocidad del viento ... 56
Cálculo de la potencia del viento ... 56
4.3. Análisis con el Software SOLIDWORKS ... 57
4.4. Beneficios y Rentabilidad ... 57
CAPITULO V RESULTADOS Y DISCUSIÓN 5.1. Determinación de velocidades del viento para la generación de 20KW .... 61
5.1.1. Estación Meteorológica Azángaro ... 62
5.1.2. Estación Meteorológica Mocayache ... 63
5.2. Análisis y simulación de la variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kW mediante el software solidworks. ... 66
5.2.1. Base del soporte del aerogenerador diseñado con el Software SOLIDWORKS ... 67
5.2.2. Rotor del aerogenerador diseñado con el Software SOLIDWORKS ... 67
5.2.3. Álave o álabe del aerogenerador diseñado con el Software SOLIDWORKS ... 68
5.2.4. Base soporte 1 del aerogenerador diseñado con el Software SOLIDWORKS ... 68
5.2.5. Base soporte 2 del aerogenerador diseñado con el Software SOLIDWORKS ... 69
5.2.6. Eje del aerogenerador diseñado con el Software SOLIDWORKS... 69
5.2.7. Arandela del aerogenerador diseñado con el Software SOLIDWORKS ... 70
5.2.8. Góngola del aerogenerador diseñado con el Software SOLIDWORKS ... 70
5.2.9. Estructura global del aerogenerador de 20 kw diseñado con el Software SOLIDWORKS ... 71
5.2.10. Cálculo de velocidad del viento y potencia ... 72
5.3. Análisis económico: rentabilidad de la instalación de un aerogenerador de 20kW mediante el software solidworks. ... 80
5.3.1. Reducción de los costos de inversión ... 80
5.3.2. Análisis del beneficio de la instalación de un aerogenerador de 20kw ... 80
5.3.3. Metodología de análisis ... 80
5.3.4. Análisis económico tradicional ... 82
5.3.5. Indicadores de la rentabilidad esperada del negocio ... 83
5.3.6. Indicadores de la rentabilidad esperada del capital ... 84
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 86
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 88
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Variables de investigación ... 23
Tabla 2. Análisis y simulación de la variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kw mediante el software Solidworks ... 54
Tabla 3. Medidas externas del aerogenerador ... 57
Tabla 4. Producción de energía en megawatt de países de Latinoamérica ... 57
Tabla 5. Costos unitarios de un parque eólico ... 59
Tabla 6. Precios de las turbinas eólicas en tres países ... 59
Tabla 7. Velocidad del viento en la Estación Meteorológica de Arapa ... 61
Tabla 8. Velocidad del viento en la Estación Meteorológica de Azángaro ... 63
Tabla 9. Velocidad del viento en la Estación Meteorológica de Mocayache ... 64
Tabla 10. Velocidades mensuales del viento en la Estación Meteorológica de Arapa según el SENAMHI ... 74
Tabla 11. Velocidades mensuales del viento en la Estación Meteorológica de Azángaro según el SENAMHI ... 75
Tabla 12. Tabla de clases y de longitudes de rugosidad ... 77
Tabla 13. Análisis del costo beneficio privado y social ... 80
Tabla 14. Datos técnicos ... 82
Tabla 15. Coste total de la inversión ... 83
Tabla 16. Rentabilidad esperada del negocio en soles. ... 83
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Crecimiento de las energías renovables a nivel global. ... 21
Figura 2. Producción eólica 2017 por empresas. ... 21
Figura 3. Aerogenerador de eje horizontal y/o tres palas ... 35
Figura 4. Distancia entre aerogeneradores ... 36
Figura 5. Partes del aerogenerador de eje horizontal ... 37
Figura 6. Anomalía de temperatura máxima del Perú 2018 ... 41
Figura 7. Anomalía de temperatura mínima del Perú 2018 ... 42
Figura 8. Velocidad del viento promedio en la Región Puno ... 43
Figura 9. Velocidad del viento a nivel del sur del Perú ... 43
Figura 10. Diseño con SOLIDWORKS CAM ... 45
Figura 11. Anemómetro digital ... 52
Figura 12. Velocidad del viento en la Estación Meteorológica de Arapa ... 62
Figura 13. Velocidad del viento en la Estación Meteorológica de Azángaro .... 63
Figura 14. Velocidad del viento en la Estación Meteorológica de Mocayache . 65 Figura 15. Vista isométrica de la base del soporte ... 67
Figura 16. Vista isométrica del rotor ... 67
Figura 17. Vista isométrica del álave ... 68
Figura 18. Vista isométrica de la base soporte 1 ... 68
Figura 19. Vista isométrica de la base soporte 2 ... 69
Figura 20. Vista isométrica del eje ... 69
Figura 21. Vista isométrica de la arandela ... 70
Figura 22. Vista isométrica de la Góngola ... 70
Figura 23. Vista isométrica de la estructura global del aerogenerador de 20 kw ... 71
Figura 24. Ubicación de la Estación Meteorológica de Arapa ... 73
Figura 25. Ubicación de la Estación Meteorológica de Azángaro ... 74
Figura 26. Propuesta de aerogenerador ... 76
ÍNDICE DE ANEXOS
ANEXO A. PANEL FOTOGRÁFICO ... 93
ANEXO B. SIMULACIÓN DE AEROGENERADOR MEDIANTE
SOLIDWORKS ... 98
ÍNDICE DE ACRÓNIMOS, ABREVIATURAS Y SIGLAS
kW : Kilovatio
SENAMHI : Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología
MEM : Ministerio de Energía y Minas
V : Velocidad del Viento
ρ : Densidad del aire seco a temperatura ambiente
A : Area circular de barrida
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación denominado Análisis y Simulación de la Variación
de las velocidades para un aerogenerador de 20 kW mediante el software Solidworks, se
realizó un análisis de velocidad del viento con datos reales de la región de Puno en la
localidad de Arapa, Azángaro y Juliaca, tomando muestras diferentes. Se planteó el
siguiente objetivo: analizar y simular la variación de las velocidades para un
aerogenerador de 20 kW con el software Solidworks, cuyos 20kW son suficientes para
los servicios domésticos para los lugares lejanos donde no llega energía eléctrica. La
investigación es de enfoque cuantitativo, de tipo no experimental, longitudinal,
retrospectivo, analítico y de diseños asistidos por computadora, llevando una metodología
empírica y analítica, cuya recolección de datos fue por el método de observación.
Además, la investigación mostró velocidades reales obtenidos con un Anemómetro
digital calibrado, asimismo datos del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología,
teniendo puntos de monitoreo en la localidad de Arapa y Azángaro, debido a la diferencia
de velocidades en dicha localidad. Estos fueron simulados en el programa Solidworks y
analizados estadísticamente en tablas de frecuencia. Se arribó a la siguiente conclusión:
la variación de velocidad del aerogenerador de 20kW es directamente proporcional a la
velocidad del viento según los análisis con el software Solidworks y cumple con los
requerimientos técnicos. La velocidad promedio anual, tanto en la estación Meteorológica
de Arapa como de Azángaro a una altura de 7 m., asciende a 3,3 m/s.; mientras que a una
altura de 20 m., asciende a 4, 0 m/s. (Según figura 14.1 y 14.2)
.Palabras clave: Aerogenerador, energía eléctrica, simulación, software
ABSTRACT
In the present work of investigation called Analysis and Simulation of the Variation of
the speeds for a wind turbine of 20 kW by means of the software Solidworks, realized a
wind speed analysis with real data of the region of Puno in the locality of Arapa, Azángaro
and Juliaca, taking different samples. The following objective was proposed: to analyze
and simulate the variation of the speeds for a 20 kW wind turbine with the Solidworks
software, whose 20kW are sufficient for domestic services for remote places where no
electric power arrives. The research is quantitative, non-experimental, longitudinal,
retrospective, analytical and computer-aided design, taking an empirical and analytical
methodology, whose data collection was by the observation method. In addition, the
research showed actual speeds obtained with a calibrated digital Anemometer, as well as
data from the National Meteorology and Hydrology Service, having monitoring points in
the town of Arapa and Azángaro, due to the difference in speeds in that locality. These
were simulated in the Solidworks program and analyzed statistically in frequency tables.
The following conclusion was reached: the speed variation of the 20kW wind turbine is
directly proportional to the wind speed according to the analysis with the Solidworks
software and meets the technical requirements. The average annual speed, both at Arapa
and Azángaro Meteorological Station at a height of 7 m, is 3.3 m / s; while at a height of
20 m, it rises to 4.0 m / s. according to (figure 14.1 and 14.2)
Keywords: Wind turbine, electric power, simulation, SOLIDWORKS software, wind
INTRODUCCIÓN
La presente investigación es de diseños asistidos por computadora, llevando una
metodología empírica y analítica, cuya recolección de datos será por el método de
observación experimental. Además, el presente proyecto de investigación pretende
trabajar con la muestra de las velocidades reales obtenidos con un Anemómetro digital
calibrado, asimismo datos del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología, teniendo
puntos de monitoreo en la localidad de Arapa, debido a la diferencia de velocidades en
dicha localidad. Estos serán simulados en el programa Solidworks y analizados con el
programa estadístico SPSS en tablas de contingencia.
El uso de resultados de la presente investigación fue de ayuda con el propósito de
elaborar proyectos de envergadura que pretendan llevar a los lugares donde no haya
energía eléctrica mediante la alternativa de generación eléctrica utilizando la velocidad
del viento
Las características de la dirección del viento influyen sobre las diversas áreas de trabajo
respecto de los medios de explotación de energía eólica:
- En la selección del lugar de emplazamiento cuyas características sean propicias para
instalar equipos de sistemas eólicos, considerando siempre las diferenciadas velocidades
y direcciones del viento.
- En la predicción y evaluación de la obtención de energía y de la labor detallada del
sistema eólico, considerando los valores medios y las respectivas distribuciones por día,
- En el diseño del sistema, teniendo en cuanta las condiciones de complejidad y de viento
extremo.
- En la regulación y operación del sistema eólico, interviniendo en aspectos como predecir
el viento para el funcionamiento del plan elaborado inicialmente, así como determinar las
características del viento en cuanto a su parada, orientación y arranque, identificando y
manteniendo el sistema teniendo cuidado de las turbulencias y ráfagas.
En cuanto a la organización de la investigación, ésta está estructurada en capítulos. En
primer lugar, se desarrolla el planteamiento del problema, evidenciando el estado de la
cuestión en cuanto a las posibilidades de instalación de un aerogenerador, su análisis y
simulación mediante SolidWork, un software de diseño y medición. Asimismo, se
desarrolla la importancia de la investigación, dando a conocer la relevancia social, teórica,
metodológica y práctica. En segundo lugar, se desarrolla el marco teórico, detallando los
antecedentes de investigación, así como el corpus teórico. En tercer lugar, se desarrolla
la metodología de la investigación, así como los resultados. Finalmente se hace incapié
en las conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos.
CAPITULO I
1.1.Análisis de la situación problemática
Actualmente, el acceso a la energía eléctrica es un aspecto relevante para que la
humanidad se desarrolle. Actualmente, aún, gran parte de la producción de energía de
combustión, proviene de los recursos fosilizados que pueden ser aprovechables (Rosso &
Kafarov, 2015); así como la energía eléctrica depende de grandes centrales
hidroeléctricas. El desarrollo tecnológico e industrial, en el plano mundial, ha permitido
que en la actualidad se requieran ingentes cantidades de energía para producir servicios y
bienes. Entendiendo que el agua no es renovable (García, 2018), es imprescindible
utilizarla de forma eficiente y racional, al mismo tiempo que se desarrollan otras fuentes
de suministro de energía. Estas últimas, en gran dimensión tienen que ser renovables, que
signifiquen una mínima parte de impacto ambiental, se trata entonces de consolidar las
propuestas de selección de la energía solar y eólica.
A nivel mundial, la obtención y uso de energía renovable no superan el 20%. Mientras
que la demanda de energía, se incrementa diariamente, sobre todo en los países en pleno
desarrollo, a causa del incremento y masificación del avance industrial, así como de la
población, por tal motivo los Estados promueven políticas ambientales, sociales,
económicas que se dirigen a buscar nuevos modos de reemplazar las necesidades
energéticas de las poblaciones.
En el Perú, existen diferentes centros poblados, comunidades, parcialidades y caseríos
aislados, alejados de centros urbanos donde sí hay energía eléctrica. A estos lugares
recónditos no llegan las redes que distribuyen la energía eléctrica, de esta manera se afecta
la calidad de vida de las poblaciones vulnerables y distantes de zonas urbanas. El
Ministerio de Energía y Minas, se encarga directamente de brindar energía eléctrica, sin
embargo, en estas zonas alejadas, las viviendas están muy dispersas unas de otras, y hacen
a este problema es necesario utilizar energías renovables, y qué mejor que la energía
eólica.
En la región de Puno existen localidades, comunidades, parcialidades y centros poblados,
a los que no llega la energía eléctrica a causa de la gran extensión a tender cables para
llegar a aquellos lugares lejanos teniendo localidades con baja calidad de vida por la
ausencia de energía eléctrica y una velocidad de viento considerable en dichas
localidades. Frente a esta situación, una de las alternativas de dotación de energía eléctrica
es el uso del viento, es decir, energía eólica. Esta propuesta puede contribuir con la
producción de grandes niveles de potencia y resistencia, suficientes para satisfacer las
necesidades y demandas de las poblaciones más necesitadas, sobre todo priorizando los
poblados pequeños (para empezar) y a mediano y largo plazo, puede lograr satisfacer las
necesidades energéticas de una gran localidad. Por supuesto que la zona de instalación
debe aproximarse a determinadas estaciones, con el propósito de tener información
meteorológica, además de cumplir con determinadas condiciones geográficas y velocidad
de viento.
En la presente investigación: “Análisis y simulación de la variación de las velocidades
para un aerogenerador de 20kW mediante el software Solidworks”, se ha demostrado
cómo analizar y simular la variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kW
con el software Solidworks.
En la región Puno, teniendo en cuenta que la velocidad del viento no es uniforme ni
constante y considerando que a veces las velocidades del viento son significativas, se ha
evaluado la posibilidad de instalar un aerogenerador con el propósito de beneficiar a
1.2.Planteamiento del Problema
1.2.1.Problema general o pregunta general
¿De qué manera se hará el Análisis y la simulación de la variación de las velocidades
para un aerogenerador de 20Kw mediante el software solidworks?
1.2.2. Problemas específicos o preguntas específicas
P.E.1: ¿Cómo se podrá plantear la variación de la velocidad de un aerogenerador de
20kW con el software solidworks?
P.E.2: ¿Por qué se hace el Análisis y simulación de la variación de las velocidades
para un aerogenerador de 20Kw mediante el software solidworks?
P.E.3: ¿A cuánto asciende el costo del Análisis y simulación de la variación de las
velocidades para un aerogenerador de 20Kw mediante el software solidworks?
1.3. Objetivos de la investigación
1.3.1.Objetivo general
Analizar y simular la variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kW
mediante el software solidworks.
1.3.2.Objetivos específicos
OE1: Plantear la variación del viento para la simulación de un aerogenerador de
20Kw mediante el software solidworks.
OE2: Aplicar elsoftware Solidworks para elAnálisis y la simulación de la variación
OE3: Determinar los costos de investigación sobre el análisis y simulación de la
variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kW mediante el software
solidworks.
1.3.3. Justificación del estudio
El siguiente estudio, tiene como propósito impulsar el uso de energías renovables
en la región Puno (Arapa y Azángaro). Esta es una intención fundamental, y hasta
obligatoria en los tiempos actuales; debido a que las energías renovables
representan un mecanismo de consolidación de dotación de energía eléctrica en el
mix eléctrico nacional, y con estudios de evaluación y previsión energética en
función al crecimiento de la población y demanda, no solo en el plano nacional,
sino a nivel mundial (Figura 1). La Unión Europea (UE), desde algunas décadas
está apostando significativamente por este tipo de tecnologías, en su afán de luchar
y combatir los impactos del cambio climático. Todas estas acciones han quedado
reflejadas en los resultados de la famosa 20-20-20, que es un bloque de medidas
objetivas en relación a la energía renovable y al clima global. Estos resultados y
agenda mundial se dirigen a tomar conciencia en la reducción de las emisiones de
CO2, así como impulsar las energías renovables, mejorando la eficiencia en
dotación de energía. Con este acuerdo mundial, se pretende alcanzar al 2020 más
de un 20% de la energía eléctrica considerando la ampliación de las fuentes
Figura 1. Crecimiento de las energías renovables a nivel global.
Fuente: Installed Capacity (2016)
Figura 2. Producción eólica 2017 por empresas.
Fuente: coes.org.pe
Entonces, es necesario reducir la demanda de combustibles fósiles, y con la aportación de
la investigación de energía renovable como es el viento, puede aportarse
significativamente con energía eléctrica con el propósito de que pueda reducirse las
emisiones de gases con efecto invernadero y así disminuir los riesgos con una garantía
1.4. Hipótesis
1.4.1.Hipótesis general
La variación de velocidad del aerogenerador de 20kW es directamente proporcional
a la velocidad del viento según los análisis con el software Solidworks.
1.4.2. Hipótesis específicas
HE1: Al realizar el Análisis y simulación de la variación de las velocidades para un
aerogenerador de 20kW mediante el software Solidworks se formulará alternativas
que beneficien a zonas que donde por sus necesidades energéticas y características
meteorológicas esta tecnología sea posible instalarlas.
HE2: La metodología del análisis y simulación de la variación de las velocidades es
adecuada para un aerogenerador de 20kW mediante el software solidworks.
HE3: La elaboración del análisis y simulación de la variación de las velocidades para
un aerogenerador de 20kW mediante el software solidworks es económicamente
rentable y puede ser asumido por instituciones del estado como particulares.
1.4.3.Variables
Variable Independiente: Velocidad del viento.
Variable Dependiente: Generación de Potencia del Aerogenerador
1.4.4.Operacionalización de las variables
Tabla 1. Variables de investigación
VARIABLES DIMENSIONES INDICADORES ESCALA
Variable independiente: Velocidad del viento. Dirección Velocidad Altura
Dirección de los vientos a una altura de 7 metros
Velocidad máxima Velocidad mínima
Altura de recepción de los vientos Norte (N) Sur (S) Este (E) Oeste (W) m/s m/s m
Variable Dependiente:
Generación de Potencia
del Aerogenerador
mediante el software
CAPITULO II
2.1. Antecedentes del estudio
2.1.1. Antecedentes internacionales
Suau (2014), en su estudio titulado: “Diseño y construcción de una mini – turbina
eólica”, plantea como objetivo: determinar la utilidad del rotor construido como
modelo y estructura para realizar prácticas y estudios relacionados con la
generación de energía eléctrica mediante medios eólicos de producción. Si bien en
un principio puede parecer que estos sistemas deben ser similares a los de
generación tradicional o convencional, el sólo hecho de recurrir al viento como
fuente de energía eléctrica, tiene una lógica diferente, análisis y estudios técnicos
diferentes y requiere un planteamiento meticuloso y diverso, en razón de su carácter
imprevisible (la velocidad y dirección del viento no es constante, difiere en tiempo
y espacio), llegando a la siguiente conclusión: la razón de este estudio surge de la
carencia, en la universidad, de un recurso con el que poder analizar el método de
producción de energía de una turbina eólica.
Chávez (2010), en su investigación titulada: “Diseño de un micro generador de eje
vertical”, planteó como objetivo: diseñar un micro generador de eje vertical. En
cuanto a la metodología, se trata de un estudio experimental. Arribó a la siguiente
conclusión: la energía es una variable imprescindible para que una sociedad se
desarrolle, en virtud de ella se desarrollan actividades más complejas y sofisticadas,
mejorando la calidad de vida de las personas y de las poblaciones más vulnerables
y que más lo requieren. En contraste, con las fuentes de energía tradicionales o
convencionales, como los combustibles de origen fosilizado, se observa un colapso
y daño irreparable al medio ambiente, a tal extremo de que las consecuencias
Invernadero.
García-Bustelo (2012), en su tesis titulada: “Modelización de un captador eólico de
alta eficiencia”, planteó como objetivo: Diseñar un estudio psicométrico de una
corriente de aire húmedo que, bajo unas condiciones manipulables y preestablecidas
de velocidad, humedad y temperatura, a fin de que circule a través de un volumen
de control (concentrador) transformando esta energía básica en una disminución de
presión. Respecto de la metodología de estudio, comprende la aplicación
regresional y de análisis del modelo matemático, que se utiliza en torno a las
propiedades de termodinámica de un proceso, el muestreo fue no probabilístico,
considerándose los datos meteorológicos de las zonas utilizables potencialmente y
análisis de los mismos, así como el establecimiento de los parámetros de partida
que en relación a las condiciones de contorno conllevan a la generación de un
modelo físico a través de la mecánica de fluidos a nivel computacional, apto para
realizar ensayos en el túnel de viento dentro del rango de utilización; se arribó a la
siguiente conclusión: si bien los experimentos se ejecutaron mediante el uso de una
sola tobera, es posible construir otras toberas para cubrir el campo de dirección de
viento.
2.1.2.Antecedentes nacionales
Chuquimamani (2017), en su tesis titulada: “Análisis de la variación de Perfil Alar
de una turbina de baja potencia”, planteó como objetivo: determinar la variación
del perfil aerodinámico a lo largo de la sección del álabe a fin de mejorar la potencia
de una turbina eólica de baja potencia. En cuanto a la metodología, la investigación
fue de tipo experimental, porque se realizó en un banco de pruebas acondicionado
Mecánica (EPIMEC). Las mediciones de los parámetros de la turbina se realizaron
con y sin variación del perfil, con diversas intensidades del viento simulados por el
ventilador axial. Se encontró que los datos obtenidos del ensayo fueron relevantes
porque el viento simulado pudo ser suficiente para producir energía eléctrica. En
conclusión, según los resultados obtenidos de la evaluación experimental con perfil
alar de sección mixta NACA 4412 y 4415 se incrementó en un 10% de potencia y
se demostró de esta manera la hipótesis planteada.
Flores (2016), en su tesis titulada: ”Estudio de comprobación del diseño de la torre,
la hélice y la góndola de un aerogenerador tripala de 20kW mediante simulación
numérica computacional”, se planteó como objetivo: comprobar el diseño de la
hélice, la góndola y la torre de un aerogenerador tripala de 20 kW y eje horizontal,
utilizando una propuesta de diseño de simulación numérica computacional, a través
de ANSYS, un software, adaptado para el diseño de predicción numérica. En cuanto
a los resultados, se encontró que el diseño obtuvo medidas aceptables de torre,
hélice y góndola sujetos a un aerogenerador de 20 kW. En conclusión, el diseño
propuesto por la empresa WAIRA, es beneficiosa y eficiente a nivel físico y
financiero, en suma, es recomendable su uso para operar adecuadamente.
2.1.3.Antecedentes locales
Huanca (2017), en su tesis titulada: “Caracterización de los recursos eólico y solar
de la ciudad de Juliaca”, planteó como objetivo: determinar el potencial de
explotación de los recursos solar y eólico de la ciudad de Juliaca. Respecto de la
metodología, esta investigación se realizó con información proporcionada por el
SENAMHI-Puno, en relación a la ciudad de Juliaca, ubicada en la latitud sur 15º
se utilizaron datos meteorológicos de la NASA, los datos recabados estuvieron
relacionados con la velocidad y dirección del viento, los cuales fueron medidos por
un anemómetro CAM RC-400. En conclusión, en la ciudad de Juliaca, se presenta
mayor potencial para instalar recursos eólicos y solares durante los meses
correspondientes a las estaciones de primavera-verano, esto es, setiembre, octubre,
noviembre, diciembre, enero, febrero y marzo; gran parte de estos meses a una
altura de 25 m, la velocidad del viento es mayor a los 3 m/s del total de promedio
mensual. Asimismo, los dos meses con mayor velocidad eólica son noviembre y
diciembre, con un promedio de velocidad mensual más alto que otros meses,
ascendiendo a 3,29 m/s. Esta data es constante respecto del análisis comparativo
con otros años, con leves diferencias. No obstante, el mes de junio es el que tiene
la velocidad de viento más baja, con un promedio de sólo 2,16 m/s.
Jiménez (2018), en la investigación titulada: “Estudio de viabilidad técnica de un
mini parque eólico de 9 kw conectado a la red eléctrica Puno, en el sector de Ventilla
Alto Puno - departamento de Puno”, planteó como objetivo: realizar el estudio de
viabilidad técnica de un mini parque eólico de 9 Kw, en el sector de Ventilla (Alto
Puno) de la ciudad de Puno. En lo concerniente a la metodología, la investigación
es de tipo experimental, se dispuso de información sobre la velocidad de viento
promedio y máximo, direcciones del viento promedio y máxima. La técnica
utilizada fue la del fichaje que consiste en recopilar información secundaria ya
existente sobre la dirección y velocidad del viento. Se arribó a la siguiente
conclusión: la energía anual extraíble del recurso eólico en Ventilla (Alto Puno) fue
de 1,64 MWH y la energía anual disponible fue de 24,5 MWh/año, por tal motivo
Chagua y Valdivia (2017), en la investigación: “Estudio experimental de la
eficiencia de un módulo de generación eléctrica híbrida eólica-solar para la
EPIME–Puno, 2015”, planteó como objetivo: determinar la eficiencia de un módulo
híbrido eólico-solar, considerando la radiación solar, la variación de la velocidad
del viento y la ubicación geográfica (altitud) en la Región Puno. En relación a la
metodología, se utilizó la toma de datos en campo. Se arribó a la siguiente
conclusión: Con la instalación del módulo híbrido eólico-solar en los sectores de
Salcedo, Ventilla (Alto Puno), Yanamayo (antenas) y Llavini (EPIME) en la Región
Puno, lográndose tomar datos de campo teniendo un promedio en la radiación solar
1082.68 watts/m2 y la velocidad del viento 5.10 m/s, con estos datos ambientales
se ha logrado producir una potencia promedio de 258.55 Watts, obteniendo una
eficiencia promedio de 40.40%, con lo cual se concluye que los recursos renovables
son suficientes para producir energía eléctrica. Analizando el módulo híbrido
solar-eólico se concluye que el arreglo fotovoltaico aporta el 71% de potencia y el
aerogenerador aporta un 29 % promedio de los cuatro sectores.
2.2.Bases teóricas
2.2.1.Definición de energía eólica
Es aquella energía obtenida del viento (originada en la presión atmosférica),
constituye un tipo de energía cinética que se origina por las diversas corrientes de
aire a distinta temperatura, que al ser aprovechadas, se transforman en energía útil
para mejorar la calidad de vida y permitir el desarrollo de las poblaciones (Andrade
& Quispe, 2016).
Este tipo de energía es renovable. La principal forma de obtenerse es mediante
aerogeneradores, o según el argot popular se les conoce como “molinos de viento”.
Su tamaño varía, dependiendo de la potencia que se desee. Las encargadas de
transformar la energía cinética del viento en energía mecánica son las hélices o aspas
que dependen de las ondas de aire (Gonzáles, 2014).
2.2.1.1. Historia de la energía eólica
Es una de las energías más antiguas, ha sido utilizada desde la edad antigua.
Tenía dos propósitos: a) servir como molino de granos; y b) bombear agua para
diversos tipos de uso.
Los molinos de viento (también existían molinos hidráulicos), estaban
instalados en zonas donde los vientos tenían velocidades de medianas a altas,
facilitando de este modo el trabajo del hombre.
En los años 70, del presente siglo, dos décadas después de la segunda guerra
mundial, cuando aconteció la primera crisis del petróleo, los grandes
empresarios, investigadores y políticos, consideraron que la energía de
combustión no sería eterna y que en algún momento se acabaría, es entonces
que se produjo un visionario interés por las energías renovables. Entonces se
idearon nuevos propósitos y nuevas formas posibles de adquirir energía a través
de la indagación de nuevas rutas para explorar y explotar otras fuentes y
recursos presentes en la tierra, desde la perspectiva ecológica y económica. En
esos tiempos, los aerogeneradores eran muy sofisticados y complejos, por ende,
demandaban inversiones onerosas, por tal circunstancia, diversos gobiernos
promovieron políticas de investigación, de este modo se ideó el Instituto de
Investigación Danés (RISO) y el Instituto Alemán de la Energía Eólica
instalación y los métodos de rendimiento económico (Oviedo, Badii, &
Guillen, 2015).
2.2.1.2. Antecedentes de la captación energía eólica
La energía eólica es la energía originada en el viento, se trata de una energía
inagotable y limpia, con grandes perspectivas de progreso y desarrollo, ya que
el hombre ha instaurado a lo largo del tiempo diversos artefactos y tecnologías
a lo largo de la historia; el molino de viento es sólo una de las ideas que fue
plasmada, útil para moler granos y extraer el agua.
Hoy en día, las energías renovables y limpias, en este sentido, los generadores
eólicos ocupan un lugar preponderante, ya que sus estructuras contienen una o
varias paletas o palas de longitudes distintas, las cuáles giran sobre un eje
horizontal. Este generador, se basa en la fuerza del viento que golpea orientado
en ciertos ángulos, provocando de este modo una energía cinética que se
transforma en mecánica, a través de dos componentes: perpendicular y
paralelo.
2.2.1.2.1.Molino del siglo XVI
La energía eólica, como se indicó es una de las energías ideadas por el
hombre, que es una de las más antiguas, así como las energías térmicas.
Existen evidencias suficientes para aseverar que los molinos de viento no
sólo sirvieron para moler granos o extraer y distribuir agua, sino también
2.2.1.2.2.Los primeros molinos
El primer molino fue un invento con hojas rectangulares y eje vertical,
ideado y construido por Sistan Afganistán en el siglo VII. Este molino se
propagó por parte de Asia menor y el sur europeo. Estaba compuesto de 6
a 8 velas de molino recubiertos con telas gruesas, su uso fue
exclusivamente para moler trigo y extraer agua (Ramos, 2017).
2.2.1.2.3.Molino de bombeo
Este molino, tuvo un propósito productivo para mejorar la agricultura y
ganadería, debido a que el agua era de difícil acceso, y con esta tecnología
se facilitó su distribución, asimismo, contribuyó a la expansión del
ferrocarril alrededor del mundo, cubriendo así las necesidades que se
tenían de agua para las locomotoras y el motor.
2.2.1.2.4.Países que utilizan las energías eólicas
En la actualidad, los países que producen energía eólica son los siguientes:
a) China
China, produce la energía eólica más grande a nivel mundial, lidera esta
producción y el uso de estas tecnologías de energías renovables, cuenta
con una producción de 45 GW de electricidad, originadas de sus 80 granjas
eólicas que están ubicadas a lo largo y ancho del país, en el siguiente lustro
su meta es llegar a producir 100 GW para que de este modo puedan cumplir
b) Estados Unidos
Es el segundo país que produce energía eólica, cuenta con una producción
total de 43 GW de energías, las cuáles se originan a partir de 101 parques
de tecnología eólica. Puede notarse que en estaciones supera a China, pero
la gran diferencia es que estos parques no producen en la misma medida
que las granjas chinas. Se sabe que esta cantidad de energía no alcanza
para cubrir las necesidades energéticas del país, por ello periódicamente se
intensifica el desarrollo de nuevas plantas y parques.
c) Alemania
Alemania es otro de los países con una producción de energía eólica alta,
ellos tienen una capacidad de 28GW de energía, que permite cubrir el 9%
de la demanda energética del país, asimismo, tiene un desplazamiento de
unas 21607 turbinas eólicas. Alemania es uno de los países que más
apuesta por este tipo de energía, evolucionado exponencialmente desde su
ingreso al mercado de la energía eólica.
d) España
España es otro de los países con una producción significativa de energía
eólica que abarca el 16% de la demanda eléctrica española, y tiene una
producción total de 21GW; esta energía constituye la tercera fuente
e) India
Es uno de los países con mayor auge en la producción de energía eólica,
así, tiene una producción que alcanza los 14GW de energía, pero que por
la cantidad de población apenas cubre el 1.6% de la demanda energética.
2.2.1.3.Generador eólico
Es un gigantesco equipo, réplica mejorada de los antiguos “molinos de
viento”, que está conectado a un generador eléctrico, el mismo que aprovecha
la fuerza del viento para mover las aspas y así producir energía (Castillo,
2014).
Cuando hay mayor caudal de viento, también se incrementa la cantidad de
giros de la hélice del aerogenerador, de esta manera se produce más energía.
Un aerogenerador está diseñado para obtener su potencia de entrada, para
convertir la fuerza del viento en una fuerza de giro, para luego actuar sobre las
palas del rotor. Dependiendo de la cantidad de energía que se transfiere al
rotor por el viento a partir de la densidad del aire, de la velocidad del viento y
del área de barrido del rotor, puede producirse un nivel adecuado de energía
eléctrica (González, 2007).
2.2.1.4.¿Cuánta electricidad se crea a partir del viento en todo el mundo?
A nivel mundial, la energía eólica suministra, en estos tiempos, es cerca
del 2,9% del consumo mundial de electricidad. Este porcentaje tenderá a subir,
en el futuro. Por ello, las proyecciones de la industria muestran que, con las
suficientes inversiones y políticas de estado en materia energética, se logrará
2.2.1.5.Ventajas de la energía eólica (Aerogenerador)
Se trata de una de las energías renovables más efectivas.
No produce consecuencias contaminantes para el medio ambiente, en
consecuencia, se trata de una de las energías más limpias del planeta.
No requiere combustión, se sustenta únicamente en la dirección y velocidad
del viento.
2.2.2.Modelos recientes de aerogeneradores
La industria eólica, lleva un buen tiempo buscando las mejores alternativas para
mejorar y optimizar el rendimiento y diseño de aerogeneradores, de diversos
tamaños y con topes de producción de kW.
Figura 3. Aerogenerador de eje horizontal y/o tres palas
2.2.3. El efecto del parque de aerogeneradores
Los aerogeneradores se caracterizan porque siempre dejarán un efecto estela atrás
de él, en otras palabras, una turbulencia y ralentización del viento detrás de la
turbina. Este fenómeno se debe a que la energía del viento al pasar el rotor
disminuye, pues parte de ella es convertida en energía mecánica que hace girar los
álabes del aerogenerador; por este mecanismo es que debe existir una separación
entre aerogeneradores en un parque eólico, los mismos que deben ser de 5 a 9
diámetros de rotor en la dirección de los vientos dominantes y de 3 a 5 diámetros
de rotor en la dirección perpendicular a los vientos dominantes, para evitar este
efecto adverso.
Figura 4. Distancia entre aerogeneradores
2.2.4. Partes de un aerogenerador
Figura 5. Partes del aerogenerador de eje horizontal
Fuente: García (2015)
2.2.4.1. El rotor
Constituye la parte que convierte la energía cinética del viento en energía
mecánica. Si se aumenta el diámetro de las paletas, puede lograrse acrecentar
la extensión de captación de viento, así como la fuerza suministrada por la
máquina. La fuerza que proporciona el viento por unidad de superficie barrida
2.2.4.2. El multiplicador
Representa un conjunto de engranajes que convierte y sistematiza la baja
velocidad a la que gira el eje del rotor (entre 14 y 30 vueltas por minuto) a una
velocidad más acrecentada, que se comunica al eje que hace girar el generador.
En otras palabras, un aerogenerador está diseñado para soportar vientos
fuertes como también vientos ligeros, suaves o imperceptibles.
2.2.4.3. El generador
El propósito que tiene el generador es trasformar la energía mecánica que
procede del rotor de la máquina en energía eléctrica. Esta energía se vuelca
hacia la red eléctrica o bien puede utilizarse por algún centro de consumo
ubicado en zona aledaña a la zona de instalación.
2.2.4.4. La góndola
Es la parte que contiene el conjunto de bastidor y la carcasa del aerogenerador.
2.2.4.5. El bastidor
Es un fragmento sobre el que se ensamblan las partes mecánicas más
significativos (el generador, el rotor, el multiplicador) del aerogenerador y que
está instalada sobre la torre. El bastidor está protegido por una carcasa de
2.2.4.6. Las palas
Son las partes encargadas de captar la energía cinética del viento. Es una de
las unidades más relevantes como críticos del aerogenerador, debido a que, en
palas de gran longitud, se sustenta el máximo aprovechamiento de la energía.
2.2.4.7. Buje
Es la parte que une las palas y todo el sistema de rotación, está acoplado al eje
de baja velocidad del aerogenerador.
2.2.4.8. Torre
Se encarga de dar soporte a la góndola y el rotor. Se deduce que cuanta más
alta sea la torre, se obtendrá también una mayor cantidad de energía, debido a
que la velocidad del viento se incrementa con la altura en relación al nivel del
suelo.
2.2.4.9. Cimentación
Es la plataforma de alta resistencia sobre la cual se sostiene, sustenta y dispone
todo el equipo del aerogenerador.
2.2.4.10.Cono o nariz
Representa toda la cubierta metálica, cuya forma es cónica para encararse con
el viento y así lo desvía hacia el tren motor. El cono o nariz, debe tener la
forma aerodinámica adecuada con el propósito de impedir la formación de
2.2.4.11.Eje de baja velocidad
Es el encargado de conectar el buje del rotor con la multiplicadora y transmitir
la energía captada por las palas.
2.2.4.12.Eje de alta velocidad
Se encarga del accionamiento del generador eléctrico. Tiene como función
principal, orientar el rotor para que quede ubicado de forma perpendicular a
la dirección del viento y de este modo se logre adquirir o captar la mayor
superficie de captación.
2.2.4.13.Anemómetro
Es un pequeño medidor de la velocidad del viento, también forma parte del
aerogenerador.
2.2.4.14.Veleta
Es la parte utilizada para medir la dirección exacta del viento.
2.2.4.15.Sistema hidráulico
Suministra la potencia hidráulica, dirigida a accionar el aerogenerador o las
2.3. Condiciones meteorológicas de la zona del proyecto
Figura 6. Anomalía de temperatura máxima del Perú 2018
Figura 7. Anomalía de temperatura mínima del Perú 2018
La mayor velocidad en la región Puno según la fig. 8 es del lado oeste por la influencia
del pacifico sur y seguidamente por el este que es debido a la marea del lago Titicaca.
2.389 m/s.
Figura 8. Velocidad del viento promedio en la Región Puno
Fuente: giovanni.gsfc.nasa.gov
La mayor velocidad del viento según la fig. 9 es por las costas del Perú debido a que
está cerca de la corriente del mar. 4.292 m/s
Figura 9. Velocidad del viento a nivel del sur del Perú
2.4. Parámetros característicos del viento atmosférico
La dimensión física forma parte del proceso aleatorio de la fluctuación de la velocidad
del viento alrededor de una media cuasi-estacionaria se conoce como turbulencia, que
es causada por el desvanecimiento, esparcimiento o disipación de la energía cinética
del viento y transformada en energía mecánica, mediante la baja progresiva de
pequeños vórtices (vientos arremolinados y ráfagas) (Rivera, 2007).
2.4.1. Intensidad de Turbulencia
Es la relación entre la media y la desviación estándar de los datos de las
velocidades de viento en un período de tiempo corto (no mayor a una hora) y por
convención usualmente igual a diez minutos (Rivera, 2007).
2.4.2.SOLIDWORKS
Según el Estándar del Sector del Diseño y la Ingeniería, SOLIDWORKS es la
plataforma de software que permite dinamizar tareas de diseño. Es el paquete CAD
3D más usados en la educación y la industria en cuanto al desarrollo de habilidades
de diseño e ingeniería (Dasault, 2018).
Con SOLIDWORKS, uno puede centrarse más en el diseño a nivel de estructura,
suspensión, electrónica, controles y aerodinámica.
2.4.2.1. Constitución de SOLIDWORKS
Según Galindo (2018), SOLIDWORKS, versión 2018, tiene las siguientes características:
a) SOLIDWORKS CAM para mecanización CNC
Es un sistema de CAM basado en CAMWORKS. Por tanto, totalmente
comprobado y en funcionamiento. La mecanización se basa en reglas ya
Figura 10. Diseño con SOLIDWORKS CAM
Fuente:Geometric (2018)
b) SOLIDWORKS MANAGE
Es un sistema avanzado de gestión de datos que amplía funcionalidades de la
gestión global de los ficheros y de la integración de las aplicaciones activadas
por SOLIDWORKS PDM. Contiene:
- SOLIDWORKS PDM Professional más un potente control de proyectos,
procesos y gestión por ítems.
- Cuadros de mando e informes para gestionar las etapas de los proyectos,
líneas temporales, y los hitos.
- Crea, edita y compara Listas de Materiales (BOMs, o sea LDMs).
c) Optimización Topológica
Optimiza la forma de su diseño con total libertad geométrica basándose
en optimizar la masa total, en vez de usar los parámetros de creación de la pieza.
Pueden establecerse restricciones de fabricación y rigidez para proporcionar
d) Superficies Libres en Simulaciones de Fluidos
Soluciona el problema cuando el líquido no llena completamente el espacio a
analizar y coexiste con gas (aire); por ejemplo, canales, flujos de ríos y mares,
llenados y vaciados de tanques.
e) Trabaja directamente con Mallas
Efectúa operaciones directamente sobre piezas de malla (geometría proveniente
de un escaneado, o de un fichero de triangulación tipo stl), por ejemplo, Cortar,
Cortar con Superficie, Comprobar Interferencias, Combinar, Intersección,
Partir, Mover/Copiar, y otras.
Convierte rápidamente partes de estos cuerpos de malla a superficies para
geometría inversa.
Convierte sólidos o superficies a geometría de malla.
f) Croquiza en pantallas táctiles
Dibuja a mano alzada con lápiz digital o a mano en dispositivos táctiles
compatibles. Léase tabletas Wacom, y pantallas táctiles varias.
Soporta dibujar a mano (a dedo) o con lápiz digital muchas tareas de diseño.
g) Acoplamientos entre piezas más sencillos con Pestaña y Ranura
Crea pestañas en una de las piezas y ranuras en la otra para acoplar las dos piezas.
Funciona en chapa metálica, soldaduras y ¡en cualquier tipo de pieza!
Funciona en piezas, piezas multicuerpo, y piezas en contexto de ensamblajes.
Se puede controlar la separación y el tamaño de las pestañas y sus ranuras
correspondientes.
h) Visualización VR
Puede crear contenido panorámico de Realidad Virtual (VR). Soporta
animaciones estéreo 360. Estudios de iluminación solar, cámara volante, vistas
explosionadas, y animaciones de piezas.
i) PDM Branch and Merge
Branch significa Ramificación alternativa y Merge significa Mezcla o
reunificación, de diseños.
Con ello se mejora enormemente la posibilidad de:
- Investigar múltiples variaciones de diseño.
- Proponer cambios de Ingeniería.
j) Operaciones de pieza que agilizan y facilitan el proceso productivo
Incluye una descripción caja envolvente para listas de corte en soldaduras.
Vincula nombres de carpetas de listas de corte a listas de propiedades para crear
planos detallados de soldaduras más rápidos.
Creación automática de caja envolvente para la pieza completa – incluye
propiedades de la caja envolvente.
2.5.Marco conceptual
2.5.1.Aerogenerador
Un aerogenerador es una tecnología, dispositivo o equipo encargado de convertir la
energía cinética procedente del viento en energía mecánica, en consecuencia, en
energía eléctrica.
2.5.2.Energía eléctrica
Es una fuente de energía obtenida mediante el movimiento de cargas eléctricas
(electrones) producidas el interior de materiales conductores (por ejemplo, cables
metálicos como el cobre).
2.5.3.Simulación
Es el artificio contextual que hace referencia a la indagación de una hipótesis o un
conjunto de hipótesis, usando métodos, modelos vinculados al mundo científico y
En cuanto a la energía eólica, significa representar las condiciones de variación y
dirección de la velocidad del viento, con el propósito de disponer de una herramienta
útil en las propuestas de diseño de sistemas de aprovechamiento de la energía eólica
disponible en el país.
2.5.4.Software SOLIDWORKS
Es un software de última generación, tiene un amplio número de aplicaciones.
Proporciona una cartera de herramientas de exámenes factibles de usar que admiten
pronosticar la conducta física de un producto en el mundo real mediante las pruebas
virtuales de los modelos de CAD.
2.5.5.Variación del viento en la industria eólica
Para la industria eólica la variación del viento es muy importante. Los proyectistas y
especialistas en materia de turbinas requieren información sobre la variación eólica
en la zona donde se instalará el equipo o dispositivo, para optimizar el diseño de sus
aerogeneradores, así como para minimizar los costes de generación.
2.5.6.Velocidad del viento
Cerca del suelo, de la superficie, la velocidad es baja, pero conforme adquiere altura,
la velocidad aumenta rápidamente. También es importante destacar que cuanto más
accidentada sea la superficie del terreno, más frenará ésta al viento. Por tal razón en
zonas accidentadas, la velocidad del viento disminuye, sobre todo en las depresiones
terrestres y más sobre las colinas. Asimismo, el viento sopla con más fuerza sobre
CAPITULO III
3.1. Tipo de investigación
La investigación es de enfoque cuantitativo, de tipo no experimental, longitudinal,
retrospectivo y analítico.
Es de enfoque cuantitativo, debido a que se desarrollan cálculos en función a los
objetivos de la investigación. Es no experimental, debido a que no se manipulan ni
modifican variables, dimensiones o indicadores para realizar comparaciones entre dos
eventos temporales o espaciales. Es longitudinal, debido a que los datos utilizados
pertenecen a los meses del año 2018, observándose diferencias y similitudes de
velocidades y direcciones de viento en cada mes. Es retrospectivo, debido a que la
información pertenece a un año anterior (2018). Es analítico, debido a que se analiza
más de una variable (Hernández, Fernández, & Baptista, 2014).
3.2. Técnicas e instrumentos
Las técnicas de recolección de datos son mediante la observación de data extraída del
SENAMHI (2018) para determinar cómo se puede generar potencia de un
aerogenerador a través de la velocidad del viento. En otras palabras, cómo la variable
independiente: velocidad del viento explica la potencia que se requiere para generar
electricidad (variable dependiente) (Ñaupas, 2014, pág. 207).
Por otra parte, se obtuvieron datos con un instrumento de medición de viento
(Anemómetro Digital), asimismo se corroboraron con datos promedios del
SENHAMI de acuerdo a las muestras obtenidas, en este caso las velocidades de viento
para los lugares de Arapa, Juliaca, Azángaro, para luego simularlo en el programa
Figura 11. Anemómetro digital
Fuente: Estudio de campo
Con dichos de datos de velocidades de viento se llegó a simular y obtener el dato
de generación de velocidad, para llegar a la meta de 20kW, se tomó datos en las
tablas de contingencia y luego posteriormente se llevó a cabo el análisis estadístico
con el programa SPSS.
3.3. Procedimientos
- Se solicitó información sobre variación y velocidad del viento al
SENAMHI.
- Se desarrolló un trabajo de campo para determinar la velocidad del viento
en determinadas horas del día, con el propósito de estandarizar y comparar
los datos recabados en el SENAMHI.
- Se procesaron los datos en la hoja de cálculo EXCEL.
- Se diseñó el prototipo de equipo de aerogenerador mediante el Software
3.4. Diseño de la prueba de hipótesis
La hipótesis específica 1, fue comprobada con información descriptiva de tablas de
frecuencia de velocidades de viento por mes con sus respectivas medidas de tendencia
central (media) y límites máximo y mínimo.
La hipótesis 2, se comprobó mediante el análisis de cálculo de la correspondencia
entre la velocidad del viento y la potencia para generar energía eléctrica.
La hipótesis 3, se comprobó mediante un análisis breve de costo beneficio.
3.5. Población y muestra
Población
La población del presente proyecto de investigación es de los distritos de toda la
región de Puno que tiene los puntos de monitoreo del viento según el Servicio
Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI S. N., 2018).
Muestra
La Muestra en el presente proyecto es obtenido por el método conveniente debido
a los datos del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI, 2018),
que los vientos en la región de Puno casi son similares, teniendo una diferencia en
los puntos de monitoreo de Arapa, Juliaca, Azángaro, por lo cual se tomara como
3.6. Matriz de consistencia
Tabla 2. Análisis y simulación de la variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kw mediante el software Solidworks
FORMULACION DEL
PROBLEMA
OBJETIVOS VARIABLES DIMENSIONES INDICADORES
PROBLEMA GENERAL: PG: ¿Cuál será la variación de la velocidad del análisis de un aerogenerador de 20kW?
PROBLEMAS ESPECÍFICOS PE1: ¿Cuáles serán las velocidades del viento para la generación de 20kW?
PE2: ¿Cómo será el diseño dinámico del aerogenerador de 20kW en el software solidworks?
PE3: ¿Cuál será el análisis de la variación de la velocidad del aerogenerador con el software solidworks?
OBJETIVO GENERAL:
OG: Analizar y simular la variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kW con el software solidworks.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
OE1: Plantear la variación del viento para la simulación de un aerogenerador de 20Kw mediante el software solidworks.
OE2: Aplicar elsoftware Solidworks para elAnálisis y la simulación de la variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kW.
OE3: Determinar los costos de investigación sobre el análisis y simulación de la variación de las velocidades para un aerogenerador de 20kW mediante el software solidworks.
Variable independiente:
Velocidad del viento.
Variable Dependiente:
Generación de Potencia del Aerogenerador mediante el software Solidworks Dirección Velocidad Altura kW mínimo kW máximo
Dirección de los vientos a una altura de 7 metros
Velocidad máxima Velocidad mínima
Altura de recepción de los vientos
Potencia producida mínima
CAPITULO IV
Los sistemas de autogeneración eléctrica a partir del viento, se caracteriza por un sistema
de captación o rotor.
El viento
4.1.Velocidad del aerogenerador de 20kW
4.2.Velocidad del viento
El anemómetro es por antonomasia el instrumento que mide la velocidad del viento,
generalmente está formado por un molinete de tres brazos, separado por ángulos de 120º
que se mueve alrededor de un eje vertical. Estos brazos giran por acción del viento y
accionan un contador electrónico que mide el número de revoluciones y la velocidad del
viento incidente (Turcan, 2016).
Cálculo de la potencia del viento
La potencia del viento (P), al ser transferida al rotor del aerogenerador es:
P : Potencia (W)
Das : Densidad del aire seco a la temperatura ambiente (kg/m3)
A : Área circular barrida por las paletas del rotor (m2)
V : Velocidad del aire (m/s)
Cálculos teóricos suponiendo que:
- La temperatura del aire ambiente es de 10ª a 20º durante el día, con un ponderado de
densidad de aire de 1.2 kg/m3.
- La velocidad del aire es de 10 m/s. (SENAMHI S. N., 2018)
Al sustituir estos valores en la formula (1) obtenemos:
P (W) = 0.5 * 1, 2 kg/m3* 0,5 m2 * 10 m/s = 3 Vatios
En condiciones ideales se obtiene unos 3 Vatios. Pero teniendo en cuenta las fuerzas de
fricción la dirección del viento y el diseño del aerogenerador la potencia que se genera
disminuye levemente.
4.3. Análisis con el Software SOLIDWORKS
El análisis y modelamiento de las partes externas del aerogenerador se encuentran en el
anexo A.
Tabla 3. Medidas externas del aerogenerador
Partes del aerogenerador Longitud (m)
Altura del mástil de soporte 20
Longitud de las aspas (palas) 12
Diámetro de rotor 1.2
Diámetro de la góndola 0.9
4.4. Beneficios y Rentabilidad
Capacidad de Generación por Energía Eólica en países latinoamericanos
Tabla 4. Producción de energía en megawatt de países de Latinoamérica
PAÍS PRODUCCIÓN EN MW
Brasil 256
México 88
Costa rica 74
Argentina 27
Colombia 20
Cuba 5
Chile 2
Perú 1
Otros países del caribe 57
Costos de inversión
Los costos de inversión más importantes en el proyecto de un miniparque eólico terrestre
y su participación en el costo total, se presentan seguidamente:
Costos de estudios de viabilidad: <2%. Estos incluyen el estudio del recurso eólico, en
cuanto a diseño inicial, análisis del emplazamiento, estudio de rentabilidad, estudio de
impacto ambiental, gestión de proyecto, entre otros.
Costos de equipamiento (aerogenerador): 65-84%. Después de los costos iniciales, se
incluye la producción de los equipos auxiliares y de la turbina, así como el transporte
hasta el sitio de instalación o emplazamiento.
Costos de obra civil: 4-16%. Incluyen el transporte interno dentro del emplazamiento de
la torre y la turbina, la construcción de las carreteras y la cimentación, además de otros
costos relacionados con la infraestructura, útil para la instalación y puesta en marcha de
las turbinas.
Costos de conexión a la red: 9-14%. Incluyen las subestaciones, cableado y las líneas
eléctricas necesarias primarias y secundarias.
Otros costos de inversión: 4-10%. Incluye la construcción, permisos legales, ingeniería,
uso del terreno, consultas, licencias, seguros y sistemas de monitoreo.
Los datos anteriores aparecen en el Irena Working Paper, de junio de 2012, y otras
fuentes.
Costos unitarios de un parque eólico
Tabla 5. Costos unitarios de un parque eólico
COMPONENTE % COSTO
Turbina 64 - 85
Torre 26
Palas 22
Caja multiplicadora 12
Generador, transformador y convertidor
13
Para que se tenga una idea de cómo los precios dependen de estos factores, es necesario
analizar los siguientes datos en cuanto a precios en USD/kW de las turbinas eólicas en
tres países que corresponden a diferentes continentes, y con diversos grados de desarrollo
(Tabla N° 6).
Tabla 6. Precios de las turbinas eólicas en tres países
País 2006 2007 2008 2009 2010
China 885 928 911 864 644
Italia 1290 1874 1892 1798 1592
EE.UU. 1183 1224 1456 1339 1234
Fuente: IEA y WWEA
Costos de la generación de la electricidad
Para hacer un análisis comparativo de la viabilidad económica de un miniparque eólico
en relación a los sistemas tradicionales (hidráulico, térmico, solar), el costo de la inversión
no es lo determínate, sino los costos de generación de electricidad. El costo de generación
de electricidad de un miniparque eólico es el resultado de la suma de todos los costos del
