Diseño y construcción de un sistema de control para un refrigerador eólico - eléctrico

Texto completo

(1)DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA UN REFRIGERADOR EÓLICO - ELÉCTRICO. ALFONSO ALVAREZ SARMIENTO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. DICIEMBRE DE 2007.

(2) DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA UN REFRIGERADOR EÓLICO – ELÉCTRICO. ALFONSO ALVAREZ SARMIENTO. Proyecto de grado presentado como requisito parcial para aspirar al titulo de Ingeniero Mecánico. Asesor: RAFAEL G. BELTR ÁN PULIDO Ingeniero Mecánico, M.Sc.. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MEC ÁNICA BOGOTÁ D.C. DICIEMBRE DE 2007.

(3) A mis padres Adalberto Alvarez y Ligia Sarmiento por el gran esfuerzo e incondicional apoyo en todos los aspectos durante toda mi trayectoria universitaria, ya que sin la presencia de ellos nada de esto hubiera sido posible. A Patrycja Serwatka mi novia y compañera que con su apoyo, presencia, gran esfuerzo, sacrificios y amor me ayudó a ser un mejor hombre y así superar cualquier tipo de obstáculos. A Natalia Alvarez mi hermana por acompañarme y compartir la vida universitaria estando siempre presente preocupándo se por mi bienestar.. I.

(4) AGRADECIMIENTOS. A Rafael G. Beltrán P. por ser el asesor de este proyecto y además por todos los consejos y recomendaciones que recibí de su parte durante el desarrollo del proyecto. A todo el personal del laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad de Los Andes, especialmente a Omar Rodríguez, y Jorge Reyes que no tuvieron reparo en darme una mano cada vez que la necesité.. A la Universidad de Los Andes por haberme permitido ser parte de la gran institución que es, integrando la comunidad Uniandina y por haber puesto todas las herramientas al alcance para poder crecer personalmente y ser un profesional con las mejores competencias.. II.

(5) CONTENIDOS Pág. 1. INTRODUCCIÓN. 1. 2. OBJETIVOS. 2. 3. RESUMEN. 3. 4. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS EÓLICOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRIC A. 4. 4.1. Historia de la energía eólica. 4. 4.2. El aire como fuente de energía. 5. 4.3. Sistemas eólicos actuales. 6. 4.4. Partes básicas que componen un sistema eólico moderno. 7. 4.4.1. Torre o soporte y góndola. 7. 4.4.2. Rotor. 7. 4.4.3. Control de posición. 7. 4.4.4. Control de velocidad. 8. 4.4.5. Transmisión de potencia. 8. 4.4.6. Generador eléctrico. 8. 4.4.6.1. Generador de corriente continua ó dinamo. 9. 5. GENERALIDADES DEL SISTEMA DE CONTROL Y ACONDICION AMIENTO DE SEÑAL. 13. 5.1. Partes que componen el sistema de control y acondicionamiento de. 13. señal 5.1.1. Regulador de voltaje. 13 III.

(6) 5.1.2. Inversor DC - AC. 16. 5.1.3. Transformador AC - AC. 16. 5.1.4. Termostato. 16. 6. GENERALID ADES DE LOS COMPRESORES UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGER ACIÓN. 17. 6.1. Compresores reciprocantes o alternativos 6.1.1. Tipo abierto, semi hermético y hermético. 18 19. 7. DIMENSION AMIENTO DE LOS EQUIPOS QUE COMPONEN LOS DISTINTOS SUBSITEMAS. 20. 7.1. Sistema de generación. 20. 7.2. Sistema de control y acondicionamiento de señal. 21. 7.3. Sistema de refrigeración. 23. 8. DISEÑO DE UN PLAN DE PRUEBAS EXPERIMENTALES. 25. 8.1. Caracterización del generador y pruebas de consumo. 25. 8.1.1. Pruebas Voltaje vs. Rpm. 26. 8.1.2. Pruebas Corriente vs. Rpm. 28. 8.2. Prueba de corte de energía y arranque a temperatura alta y baja respectivamente. 29. 8.2.1. Pruebas a potencia constante. 29. 8.2.2. Pruebas a potencia variable. 29. 9. MONTAJE DEL SISTEMA EÓLICO – ELÉCTRICO. 31. 9.1. Caracterización del generador. 33. 9.2. Sistema generación. 34. 9.3. Sistema de control y acondicionamiento de señal. 35. 9.4. Sistema de refrigeración. 37. 9.5. Integración de los subsistemas. 37. IV.

(7) 10. RESULTADOS Y AN ÁLISIS DE D ATOS 10.1. Resultados y análisis de datos de caracterización del generador. 39 39. 10.1.1. Pruebas Voltaje Generado vs. Rpm. 39. 10.1.2. Pruebas Corriente Generada vs. Rpm. 40. 10.1.3. Pruebas Potencia Generada vs. Rpm. 41. 10.2. Resultados y análisis de datos de pruebas de consumo. 43. 10.2.1. Prueba Voltaje de consumo vs. Rpm. 43. 10.2.2. Prueba Corriente de consumo vs. Rpm. 44. 10.2.3. Prueba Potencia de consumo vs. Rpm. 46. 10.2.4. Prueba Eficiencia eléctrica del regulador vs. Rpm. 47. 11. CONCLUSIONES. 50. 12. RECOMENDACIONES. 53. 13. BIBLIOGR AFÍA. 54. 14. ANEXOS. 56. V.

(8) LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Disposición estándar del dinamo en un auto.. 9. Figura 2. Partes que componen un dinamo. 10. Figura 3. Dirección del flujo de corriente en un dinamo.. 11. Figura 4. Excitación del campo en un dinamo.. 11. Figura 5. Comparación entre 1: alternador, y 2: dinamo.. 12. Figura 6. Regulador externo de tres elementos para dinamo.. 15. Figura 7. Diagrama de conexión de un regulador de 3 elementos.. 15. Figura 8. Clasificación de los compresores.. 17. Figura 9. Ciclo de compresión en un compresor alternativo.. 18. Figura 10. Sistema de generación utilizado.. 20. Figura 11. Variador de frecuencia, Telemecanique ALTIVAR 31, 7.5kW / 10hp, 200 / 240V AC. 20. Figura 12. Motor eléctrico trifásico, Kohlbach, 1hp, 1800 rpm nominal.. 21. Figura 13. Generador eléctrico de corriente continua (dinamo) de 12V.. 21. Figura 14. Regulador de voltaje a 13.5V - 14V para dinamo de 12V.. 22. Figura 15. Batería de respaldo de 12V y 45Ah, marca Magna.. 22. Figura 16. Inversor 12V DC – 115V AC, marca Monster de 300W.. 23. Figura 17. Transformador. Primario 115V AC, Secundario 24V DC y 16A máx.. 23. Figura 18. Sistema de refrigeración en la actualidad, que usa refrigerante R12 y alimentación 24V AC diseñado por [5].. 24. Figura 19. Diagrama básico de conexiones para las pruebas experimentales de caracterización del generador.. 26. Figura 20. Circuito utilizado para medir voltaje a la salida del generador. (regulador desactivado).. 27 VI.

(9) Figura 21. Circuito utilizado para medir voltaje de consumo.. 27. Figura 22. Circuito utilizado para medir corriente a la salida del generador (regulador desactivado).. 28. Figura 23. Circuito utilizado para medir corriente de consumo. 28. Figura 24. Circuito utilizado para mediciones a potencia variable. 30. Figura 25. Prueba para el rotor del dinamo. Gira a altas revoluciones con bajo torque.. 31. Figura 26. Prueba para el campo magnético del dinamo. Gira a bajas revoluciones con alto torque.. 32. Figura 27. Restauración del dinamo.. 33. Figura 28. Montaje con el que se realizó la caracterización del dinamo.. 34. Figura 29. Sistema de transmisión de potencia con relación 1:1.5. 35. Figura 30. Ubicación final del regulador y la batería.. 36. Figura 31. Ubicación final del inversor de 300W.. 36. Figura 32. Panel de control y encendido.. 36. Figura 33. Montaje final. 37. Figura 34. Montaje final. 37. Figura 35. Diagrama de conexiones del montaje final.. 38. VII.

(10) LISTA DE GRAFICAS Pág. Grafica 1. Resultados voltaje generado con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la caracterización.. 40. Grafica 2. Resultados corriente generada con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la caracterización.. 41. Grafica 3. Resultados potencia generada con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la caracterización.. 42. Grafica 4. Resultados voltaje de consumo con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.. 44. Grafica 5. Resultados corriente de consumo con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.. 46. Grafica 6. Resultados potencia de consumo con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.. 47. Grafica 7. Resultados eficiencia del sistema de regulación bajo condiciones de consumo.. 49. VIII.

(11) LISTA DE ANEXOS Pág. Anexo A. Diagrama de conexiones de un regulador BOSCH de 12V.. 56. Anexo B. Datos registrados durante la toma de datos para la caracterización del generador.. 57. Anexo C. Datos registrados durante la toma de datos para las pruebas de consumo. 57. Anexo D. Compresor utilizado.. 58. Anexo E. Condensador utilizado. 58. Anexo F. Vál vula de expansión y e vaporador utilizados.. 58. Anexo G. Instrucciones de instalación del inversor Monster de 300W.. 59. Anexo H. Potencia consumida por el compresor del sistema de refrigeración.. 59. IX.

(12) 1. INTRODUCCIÓN. La ausencia o difícil disponibilidad de energía eléctrica en sitios remotos de la geografía colombiana hace que la obtención de la misma a partir de fuentes renovables de energía sea una pieza fundamental en el desarrollo de las sociedades. que. habitan. estas. regiones. apartadas. de. las. zonas. metropolitanas o de las zonas con cobertura de suministro eléctrico. El potencial para extraer potencia de los vientos fuertes en la costa norte de Colombia y las necesidades de las sociedades que allí habitan hacen que contar con una fuente confiable de energía para suplir la demanda eléctrica de sus electrodomésticos y demás aparatos de consumo eléctrico que ayuden a mejorar su nivel de vida sea fundamental, elevando así su calidad de vida a un bajo costo económico y poco impacto ambiental. Este proyecto hace énfasis en el control de un sistema de generación de energía eléctrica para futuras aplicaciones eólicas de baja potencia (en este caso un sistema de refrigeración), del orden de 1kW. Utilizando partes de fácil adquisición y bajo costo en el mercado colombiano se puede construir un sistema de generación y control de energía eléctrica que sea capaz de operar continuamente sin necesidad de mantenimiento por largos periodos de tiempo y es precisamente eso lo que se hizo, ya que se utilizó esencialmente un generador eléctrico de corriente continua ó dinamo y un regulador de voltaje ambos provenientes de un sistema automotriz de los años 60’s Y 70’s respectivamente, y que fueron adquiridos de segunda mano a bajo costo proporcionando alta confiabilidad y poco mantenimiento.. 1.

(13) 2. OBJ ETIVOS. •. Caracterizar los equipos que componen el sistema de generación de energía eléctrica.. •. Dimensionar los equipos de control del sistema eléctrico.. •. Integrar los subsistemas en uno solo y de forma funcional.. •. Realizar pruebas para diferentes condiciones de operación.. 2.

(14) 3. RESUMEN. El proyecto de grado aquí presentado, tiene como principal objetivo el diseño y construcción de un sistema de generación y control que a su vez alimentara un sistema de refrigeración por medio de un compresor de 24V AC el cual ya se encuentra montado ya que pertenece a una tesis de grado previamente desarrollada. Se utiliza un dinamo proveniente de un sistema eléctrico automotriz de 12V, un regulador de voltaje mecánico para dinamo de 12V, una batería de respaldo de 12V DC y 45 Ah, un inversor de 12V DC a 115V AC de 300W y un transformador con primario de 115V AC y secundario de 24V AC. También se usó un motor trifásico y un variador de frecuencia para obtener un amplio rango de revoluciones de operación. Se integraron los equipos en un solo sistema funcional, implementándose una transmisión de 1:1.5 entre el dinamo y el motor y utilizándose como base una plataforma con ruedas para facilitar la movilidad del sistema. En la caracterización del dinamo se logró una potencia máxima de 300W con una carga de 1,41 Ohm que se estabiliza después de las 2000 rpm. Durante las pruebas de consumo con regulador activado se encontró que el voltaje generado supera a aquel en la batería de respaldo (cargada, 12.5V) al alcanzar las 1250 rpm y también es allí cuando tenemos un flujo de corriente ya que el interruptor de retorno ó relay se abre. La eficiencia eléctrica del regulador a 1250 rpm es minima y es del 75% y a 2650 rpm es la máxima posible para este sistema (debido a la relación de transmisión 1:1.5) y es del 85% y con tendencia a crecer. 3.

(15) 4. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS EÓLICOS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. 4.1. Historia de la energía eólica Los primeros usos de la energía eólica se dieron alrededor del año 3000 AC cuando el ser humano la uso para navegar sus embarcaciones de vela por el río Nilo. Los europeos utilizaron la energía eólica durante los siglos XVII y XVIII para poder moler sus granos y bombear agua. El primer molino de viento que se uso para generar electricidad construido por Charles F. Bush, fue instalado a finales del siglo XIX en un área rural de Cleveland, Ohio en EE.UU. que se mantuvo funcionando por cerca de 20 años. Hoy en día, grandes plantas eólicas de generación de energía están compitiendo con los proveedores de energía convencionales en la producción de la misma, produciendo limpia y económicamente. Durante la década de los 40’s la compañía danesa F. L. Smidth construyó e instalo varios aerogeneradores bipala y tripala generando así corriente alterna, jugando un papel muy importante en el estudio de la energía eólica en dicho país. Durante la década de los 50’s el ingeniero Johannes Juul invento un aerogenerador tripala con rotor a barlovento y generador asíncrono capaz de generar 200 kW, para la compañía eléctrica SEAS en Dinamarca y fue instalado en la costa de Gedser en Dinamarca, funcionando por 11 años sin necesidad de mantenimiento. La NASA a mediado de los años 70’s pidió el reacondicionamiento del aerogenerador de Gedser para propósitos investigativos del nuevo plan de energía eólica estadounidense. Después de la crisis del petróleo de los años 70’s, se despertó el interés por 4.

(16) nuevas fuentes de energía y muchos países mostraron interés por la energía eólica. Se construyeron varios aerogeneradores de más de 500 kW pero el alto costo de fabricación jugo un papel negativo para decidir la viabilidad de generar energía utilizando esta técnica.. Los años 80 trajo consigo la invención del aerogenerador de Tvind, una maquina capaz de producir 2 MW girando a velocidad variable con un generador síncrono, siendo una maquina que revoluciono la industria de la energía eólica. El aerogenerador de Tvind sigue funcionando perfectamente en la actualidad. Durante la década de los 90, países como Dinamarca y Alemania instalaron los mejor llamados “Parques eólicos” con capacidades de hasta 25 MW en conjunto, es decir la generación total de 20 o 30 aerogeneradores. En el año 2003 Dinamarca se aventuró en la creación de parques eólicos marinos, aprovechando la fuerte influencia del mar del norte, y así se llegan a producir hasta 40 MW en dichos parques. En la actualidad aerogeneradores de varios mega vatios son comunes, alcanzando hasta los 4.5 MW.. El aumento de la oferta de energía eólica va cada vez en aumento, y países como Dinamarca y Alemania son líderes en el mercado eólico y a su ve z siendo los mayores productores de energía eólica en el mundo.. 4.2. El aire como fuente de energía. La energía eólica se perfila como una de las más prometedoras nuevas fuentes de energía eléctrica en los años venideros. Desde que se comenzó a generar energía eléctrica a partir de la energía eólica el precio del kWh ha venido cayendo, cuando inicialmente era absurdamente caro y poco rentable debido a los altos costos de los aerogeneradores, pero con la llegada de nuevos materiales mas resistentes y livianos, el avance tecnológico y la 5.

(17) caída de precios de la electrónica de potencia el precio de la energía generada paso a ser terriblemente rentable, llegando al punto en que dejó de ser un área exclusivamente investigativa para empezar a incursionar en el mercado mundial de la energía.. 4.3. Sistemas eólicos actuales. Como lo explican Burton, Sharpe, Jenkins y Bossanyi en su libro “Wind Energy Handbook” la potencia producida, P, por un aerogenerador esta dada por la siguiente expresión: 1 P = CP ρ AU 3 , 2 donde ρ es la densidad del aire (1.225 kg/m^3), C P es el coeficiente de potencia, A es el área barrida por el rotor, y U es la velocidad del viento. La densidad del viento es alrededor de 800 veces menor a la del agua, y debido a esto son los grandes tamaños de rotores que los aerogeneradores actuales requieren para poder producir mega vatios, por ejemplo el diámetro del rotor de un aerogenerador de 1.5 MW es del orden de 60 m. El coeficiente de potencia nos indica la fracción de la energía eólica que será convertida en trabajo mecánico por la turbina. Debido a lo anterior los diámetros de los rotores durante los últimos 15 años han venido incrementándose ya que la potencia producida se cuadriplica si el diámetro del rotor se duplica, y si la velocidad del viento se duplica la potencia producida será ocho veces mayor. Lo anterior a llevado además de incrementar los diámetros de los rotores, a querer alcanzar vientos mas fuertes por mayores periodos de tiempo y se esta viendo reflejado en aerogeneradores con torres mas altas, de 60 – 90 m, capaces de producir varios mega vatios.. 6.

(18) 4.4. Partes básicas que componen un sistema eólico Los sistemas eólicos actuales de generación de energía están compuestos por varios subsistemas, que van desde los mecánicos, estructurales hasta los eléctricos. A continuación se explicara brevemente la función de cada uno de los subsistemas.. 4.4.1. La torre o soporte y góndola Es básicamente el pilar de la estructura y se encarga de soportar varios subsistemas ubicados en la góndola, tales como el sistema de transmisión, el aerogenerador y el rotor.. 4.4.2. Rotor Los aerogeneradores actuales de gran tamaño tienen dos o tres aspas en su rotor, los pequeños llegan a tener mas de una docena. Las fuerzas estáticas y la fatiga hacen que este componente sea una de las partes mas delicadas de todo el sistema, y debido a ello el diseño del rotor debe contemplar todos los posibles factores que puedan conducir a una falla en el la integridad del rotor.. En. aerogeneradores. pequeños. el. rotor. tiene. un. tamaño. considerablemente más pequeño y por lo tanto lo hace menos delicado a la falla, debido a la posibilidad de utilizar materiales más rígidos que por ejemplo la fibra de vidrio utilizada para la fabricación de las aspas de los grandes aerogeneradores debido al mínimo peso requerido.. 7.

(19) 4.4.3. Control de posición La función única del control de posición es girar el rotor para seguir la dirección del viento. Puede llegar a ser muy complejo en el caso de grandes aerogeneradores o tan simple como el ala cola en un sistema eólico pequeño de generación.. 4.4.4. Control de velocidad El control de velocidad tiene como función detener o limitar la velocidad de la turbina. bajo. condiciones. de. extrema. velocidad.. En. pequeños. aerogeneradores el control de velocidad la mayoría de las veces no esta presente y debido a esto el diseño del mismo debe considerar la integridad y el correcto funcionamiento del sistema bajo condiciones extremas de viento.. 4.4.5. Transmisión de potencia No es un subsistema que siempre esta presente en los aerogeneradores, dependiendo del sistema de generación. La función es multiplicar la velocidad de giro y transmitir la potencia hacia el generador. En sistemas eólicos pequeños no es fundamental como si lo es en los modernos sistemas de varios mega vatios, debido a que a la naturaleza de los pequeños rotores estos tienen la capacidad de girar a velocidades considerablemente mas altas suprimiendo la necesidad de una caja de cambios multiplicadora o si lo es necesario la relación de la misma no llega a ser muy alta.. 8.

(20) 4.4.6. Generador eléctrico Para este proyecto el generador juega un papel sumamente importante y por eso se explicara un poco más en detalle su principio de funcionamiento.. Para propósitos de conversión de energía mecánica a eléctrica se pueden utilizar varios tipos de generadores como el dinamo, el motor sincrónico, el de inducción, y el generador de imanes permanentes o PMG. Todos trabajan bajo los principios del electromagnetismo. En esta sección se explicara en detalle el funcionamiento del generador de corriente DC también llamado dinamo, debido a que es el tipo de generador utilizado en este proyecto.. 4.4.6.1. Generador de corriente continua ó dinamo. A partir de la estandarización del uso de las baterías en los vehículos impulsados a motor se desarrolló el generador de corriente continua, y por mucho tiempo este sistema de generación fue capaz de suplir todas las demandas energéticas de los automóviles de la época (ver Figura 1). Debido a esto la mayoría de autos construidos hasta la década de los 60’s llevan un dinamo ó generador DC en su sistema eléctrico en variedades de 6V, 12V y 24V. El generador de corriente continua está compuesto básicamente por: Ver figura 2.. 9.

(21) Figura 1. Disposición estándar del dinamo en un auto. 1: Cigüeñal, 2: Dinamo, 3: Bomba de agua, 4: Correa de transmisión en V. Tomado de [11].. 10.

(22) Figura 2. Partes que componen un dinamo: 1: Estator, 2: Rotor, 3: Terminal, 4: Colector, 5: Tapa del colector, 6: Tapa del rotor, 7: Pieza polar, 8: Bobinado del campo, 9: Escobillas. Tomado de [10].. El efecto electromagnético producido por la rotación del rotor hace que se produzca corriente alterna que a su vez es rectificada gracias al colector. La corriente directa obtenida es posteriormente suministrada al sistema eléctrico del carro o a la batería. La siguientes figuras muestran la dirección del flujo de corriente y la excitación del campo en un generador DC.. Figura 3. Dirección del flujo de corriente en un dinamo. Tomado de [11].. Figura 4. Excitación del campo en un dinamo. Tomado de [11]. 11.

(23) El dinamo tiene ciertas restricciones de funcionamiento, a regimenes bajos de revoluciones, por ejemplo en el sistema eléctrico de un carro el dinamo no genera corriente cuando el régimen es muy bajo y a su vez no puede hacerse girar el dinamo a velocidades excesivas ya que esto deteriora el colector y disminuye considerablemente la vida útil de las escobillas. El mantenimiento en un dinamo debe ser constante debido al desgaste permanente de las escobillas. Si se desea una mayor generación de corriente por parte del dinamo su tamaño aumenta desproporcionadamente y esto acarrea aumentos en peso y dimensiones. Debido a las desventajas anteriormente mencionadas el alternador fue inventado y rápidamente reemplazó al dinamo como elemento de generación de corriente en los sistemas. eléctricos. automotrices. La siguiente grafica muestra una. comparación de la corriente generada entre dinamo y alternador con respecto a las revoluciones del motor en un auto.. Figura 5. Comparación entre 1: Alternador, y 2: Dinamo. Tomado de [10].. 12.

(24) 5. GENERALIDADES DEL SISTEMA DE CONTROL Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL. El sistema de control de un sistema eólico moderno esta integrado por gran variedad de subsistemas encargados de optimizar el desempeño. del. aerogenerador. En este caso, debido a que es un sistema pequeño y a los requerimientos. del sistema se pueden suprimir varios. componentes. presentes en los grandes aerogeneradores. A continuación se expondrá brevemente. el. funcionamiento. de. los. dispositivos. de. control. y. acondicionamiento de señal.. 5.1. Partes que componen el sistema de control y acondicionamiento de señal Los siguientes numerales explicaran en brevedad el funcionamiento de cada uno de los componentes del sistema de control y acondicionamiento de señal, haciendo énfasis en el regulador de voltaje mecánico para dinamo por ser el protagonista en el sistema de control y acondicionamiento de señal al evitar que los dispositivos que se alimenten del sistema de generación sufran fallas o daños.. 5.1.1. Regulador de voltaje El regulador de voltaje tiene como principal tarea mantener un voltaje constante, que en este caso será el voltaje generado por el dinamo en todo el rango de velocidad de operación del mismo. La regulación no es una tarea fácil cuando se tienen entradas de voltaje variable ya que estas operan en un 13.

(25) rango conocido pero con fluctuaciones que no se pueden predecir en la mayoría de los casos. En sistemas eléctricos automotrices el regulador de voltaje evita sobre cargas en la batería y daños a equipos eléctricos instalados en el sistema mismo del carro, por otro lado en sistemas eólicos de alta potencia los reguladores sirven para entregar corriente a un voltaje constante a la red, y en sistemas eólicos de baja potencia el regulador evita daños y sobre carga al sistema de almacenamiento de energía que usualmente esta compuesto por baterías. En este proyecto se utilizará un regulador de voltaje de 12V perteneciente a un automóvil, mas específicamente a un Renault 4 de los años 70’s. Este regulador es de ubicación externa a diferencia de los reguladores para alternadores que pueden ser internos y e xternos y a su ve z manejan varios métodos de regulación que difieren del regulador para dinamo.. El regulador de tensión solo entra en funcionamiento cuando el voltaje generado por el dinamo supera el valor nominal de regulación del regulador, es decir si se esta regulando una entrada de voltaje con un regulador de 12V este solo entra en funcionamiento cuando el voltaje generado supera los 12V. En los sistemas eléctricos automotrices que utilizan este tipo de reguladores se impide que la corriente fluya desde la batería hacia el sistema eléctrico cuando la tensión de la batería es mayor que la tensión de la maquina, y así previniendo que la batería se descargue rápidamente. El regulador también regula la salida de corriente manteniéndola estable. La estructura de un regulador externo de tres elementos para dinamo se muestra a continuación.. 14.

(26) Figura 6. Regulador externo de tres elementos para dinamo. 1: Regulador de voltaje, 2: Regulador de corriente, 3: Interruptor de retorno, 4: Contactos del interruptor, 5: Placa de base, 6: Bornes de conexión, 7: Contactos del regulador de corriente, 8: contactos del regulador de voltaje. Tomado de [11]. Figura 7. Diagrama de conexión de un regulador de 3 elementos para dinamo, a: Regulador de tensión, b: Regulador de corriente, c: Interruptor de retorno. Tomado de [11].. 15.

(27) 5.1.2. Inversor DC-AC La función de un inversor DC – AC es de a partir de una entrada de corriente continua obtener como salida una corriente alterna, lográndolo como su nombre lo dice invirtiendo la señal por medio de sistemas electrónicos. Usualmente se encuentran comercialmente inversores de 12V DC a 115V AC.. 5.1.3. Transformador AC – AC. Utiliza el principio de electromagnetismo e inducción eléctrica para convertir voltajes, ya sea aumentándolo o disminuyéndolo, siempre variando proporcionalmente dependiendo de la entrada llamada primario y de la salida llamada secundario. De acuerdo a los requerimientos del sistema se encarga la fabricación del transformador en la mayoría de las veces y esto es cuando se requieren en aplicaciones especiales.. 5.1.4. Termostato. Un termostato cumple la función de regular el suministro de energía de acuerdo a un rango de operación de la temperatura, que en este caso la temperatura a controlar será la temperatura de la cámara refrigerada.. 16.

(28) 6. GENERALIDADES DE LOS COMPRESORES UTILIZADOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACION. El compresor tiene como función primordial elevar la presión y temperatura del líquido refrigerante para que mas adelante esa energía absorbida pueda ser disipada. Los compresores están clasificados por familias según su principio. de. funcionamiento;. los. compresores. de. flujo. intermitente. (desplazamiento positivo) y los de flujo continuo. Los de flujo intermitente son capaces de trabajar con altas presiones pero con caudales medios siendo así muy susceptibles a la ruptura si se encuentra algún tipo de fluido incompresible en la cámara debido a su alta capacidad de compresión. Los compresores de flujo continuo, puede manejar caudales altos pero a bajas presiones.. Los compresores de desplazamiento positivo son los de uso mas común en la industria, domestico y comercial gracias a un rango amplio de presiones de trabajo y a su capacidad de trabajar en el vacío. A continuación en la figura 8 se presenta la clasificación de la familia de los compresores.. Figura 8. Clasificación de los compresores. Tomada de [1].. 17.

(29) Se explicará brevemente el funcionamiento de los compresores reciprocantes o alternativos debido a la relevancia en este proyecto.. 6.1. Compresores reciprocantes o alternativos Beltrán en su libro “Principios de conversión térmica de energía” [1], explica el funcionamiento de un compresor reciprocante como un embolo o pistón que se mueve alternativamente en un cilindro, el cual lleva dispuestas válvulas de admisión y escape para permitir la entrada y salida del gas. Se pueden encontrar en tamaños capaces de producir fracciones pequeñas hasta cientos de kilovatios. A continuación en la Figura 9 se muestran las dos etapas en la compresión del gas en un compresor alternativo.. Figura 9. Ciclo de compresión en un compresor alternativo, en donde a: Etapa de aspiración y b: Etapa de compresión y escape. Tomado de [1]. En la primera etapa, de aspiración, el pistón emprende su carrera descendente y la válvula de descarga se cierra. La presión en el cilindro empieza a descender a medida que la cara del pistón se aleja de la culata y así aumentando el volumen en la cámara del cilindro. Cuando la presión en la cámara del pistón es menor que la de aspiración, la válvula de aspiración. 18.

(30) se abre y la cámara se llena con el gas. Este proceso continua hasta que el pistón alcanza el punto muerto inferior. Posteriormente en la etapa de compresión los vapores de refrigerante son comprimidos produciendo el cierre de la válvula de admisión. La presión aumenta hasta lograr un vapor superior al de la descarga (presión de condensador) así la válvula de descarga se abre y hace que el gas fluya por la línea de gas caliente hacia el condensador.. 6.1.1. Tipo abierto, semi hermético y hermético Los compresores tipo abierto se caracterizan por prolongar el cigüeñal fuera de la coraza y así permitir el acople de un motor exterior. Fácil de reparar y gran flexibilidad en el tipo de motor que se le puede acoplar. Los compresores semi herméticos contienen su propio motor eléctrico dentro de las carcaza, y se caracterizan porque las culatas y los cilindros son desmontables y permiten la calibración del mismo. Los compresores herméticos se caracterizan por que su carcaza solo tiene las conexiones de la tubería de entrada y salida del gas y los terminales eléctricos del motor, haciéndolo muy confiable y seguro y su vez el tipo de compresor mas utilizado para refrigeradores y congeladores domésticos.. 19.

(31) 7. DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS QUE COMPONEN LOS DISTINTOS SUBSITEMAS. 7.1. Sistema de generación El sistema está compuesto por un generador eléctrico (dinamo) de 12V que presuntamente es de un automóvil Ford de los años 50’s pero sin certeza completa acerca de su procedencia, un motor eléctrico trifásico de 1hp y 1800 rpm nominal y un variador de frecuencia, todos proporcionados por la universidad. Se debe simular la variabilidad en la velocidad del viento que se refleja en variaciones en la velocidad de rotación del rotor eólico y para esto es el variador de frecuencia. El esquema y las figuras a continuación representan el sistema de generación utilizado y sus componentes.. Figura 11. Variador de frecuencia,. Figura 10. Sistema de generación. Telemecanique ALTIVAR 31, 7,5kW. utilizado.. / 10hp, 200 / 240V. 20.

(32) Figura 12. Motor eléctrico trifásico,. Figura 13. Generador eléctrico de. Kohlbach, 1hp, 1800 rpm nominal.. corriente continua (dinamo) de 12V.. 7.2. Sistema de control y acondicionamiento de señal El dispositivo que regula la carga se escogió de acuerdo al dinamo utilizado, se adquirió un regulador para dinamo de 12V perteneciente al sistema eléctrico de un automóvil, no se conoce la marca ni la referencia debido a que son muy escasos y solo fue posible conseguirlo de segunda mano y sin la tapa que originalmente traen. El diagrama de conexiones para este regulador puede ser visto en el Anexo A que es el perteneciente a un regulador electrónico de 14V BOSCH pero sin embargo de características similares al utilizado. La batería utilizada debe ser entonces una de 12V y 45Ah, que será la encargada de proporcionar aquella potencia extra que necesite el sistema de refrigeración cuando en casos hipotéticos el viento no logre generar la potencia suficiente como para suplir la demanda eléctrica del sistema de refrigeración.. 21.

(33) Figura 14. Regulador de voltaje a 13.5V -. Figura 15. Batería de respaldo de 12V y. 14V para dinamo de 12V.. 45Ah, marca Magna.. El termostato utilizado es el perteneciente a un sistema casero de refrigeración, mas específicamente a una nevera domestica Abba de 6 pies. Debido a que el sistema de generación proporciona corriente directa y a una tensión de 12V a 14V nominal debemos adecuar la señal para así poder alimentar el sistema de refrigeración. Se optó por un inversor de potencia el cual nos permite pasar de 12V DC a 115V AC y así poder además alimentar cualquier tipo de dispositivo domestico (las especificaciones pueden ser vistas en el anexo G), pero para poder integrar el sistema de refrigeración con el que se cuenta hay que convertir la salida 115V AC a 24 V AC y esto se hizo por medio de un transformador que fue mandado a hacer con un costo total de COP 120 mil. Se hizo así por la conveniencia de poder conectar dispositivos de 115V AC a la vez que se alimenta el sistema de refrigeración de 24V AC.. 22.

(34) Figura 16. Inversor 12V DC – 115V AC, marca Monster de 300W.. Figura 17. Transformador. Primario 115V AC, Secundario 24V AC y 16A máx (384 W).. 7.3. Sistema de refrigeración. En la tesis de grado de ingeniería mecánica desarrollada por Andrés F. Salgado P. en 2004 se diseñó un ciclo de refrigeración y se dimensionaron los componentes que hacen parte del mismo, y es preciso dicho sistema de refrigeración el que su utiliza en este proyecto.. El sistema de refrigeración montado utiliza como refrigerante R12, un compresor hermético de 24V AC marca Tecumseh,. un condensador de. convección forzada (utiliza un ventilador), una válvula de expansión tipo tubo capilar y un evaporador construido especialmente para ese proyecto.. Las especificaciones y demás detalles de cada uno de los componentes del sistema de refrigeración pueden ser vistas en los anexos D, E y F ó referirse 23.

(35) al documento de tesis de grado [5] de la bibliografía. La siguiente figura muestra el estado del sistema de refrigeración en la actualidad.. Figura 18. Sistema de refrigeración en la actualidad, que usa refrigerante R12 y alimentación 24V AC diseñado por [5].. 24.

(36) 8. DISEÑO DE UN PLAN DE PRUEBAS EXPERIMENTALES. 8.1. Caracterización del generador y pruebas de consumo. Para poder conocer el rango de potencia con el cual el sistema tendrá que lidiar permanentemente bajo condiciones de viento variable debemos caracterizar el generador de corriente continua. Para lograrlo por medio de la experimentación se recurre a un montaje que permita tener una entrada de potencia mecánica y salida de potencia eléctrica variables.. Se implemento el siguiente sistema eléctrico de generación que emula aquel en un sistema eléctrico de un automóvil. Se recurrió a dicho esquema dada la naturaleza del generador eléctrico que proviene de dicho tipo de sistema. además nos permite medir las variables (voltaje y corriente) bajo las condiciones futuras de operación del sistema. El siguiente diagrama muestra detalladamente el circuito y los componentes mecánicos y eléctricos que se implementan para realizar las mediciones de las variables deseadas.. 25.

(37) Figura 19. Diagrama básico de conexiones para las pruebas experimentales de caracterización del generador y consumo. Se utilizó el regulador simplemente para propósitos de montaje ya que se dejó el relay del regulador abierto en todo momento, es decir sin la capacidad reguladora pero solo para las pruebas con reóstato y así poder obtener valores no regulados. Para las pruebas de voltaje y corriente de consumo se utiliza una batería con carga parcial para garantizar el flujo de corriente hacia las celdas de la batería. Hay que tener en cuenta que dependiendo del nivel de descarga de la batería el regulador deja pasar más o menos corriente, de esta manera si la batería esta con carga media el regulador no deja pasar mas de 5 amperios y si la batería se encuentra totalmente drenada el regulador puede llegar a dejar pasar mas 50 amperios a altos regimenes de rotación. En este caso se utiliza una batería casi con carga completa por lo que es de esperarse un flujo bajo de corriente de carga ya que el propósito es comprobar que la regulación sea correcta mas que nada para la tensión.. 26.

(38) 8.1.1. Pruebas Voltaje vs. Rpm La toma de datos de Voltaje vs. Rpm se realiza de acuerdo al circuito mostrado en la figura a continuación.. Figura 20. Circuito utilizado para medir voltaje a la salida del generador. (regulador desactivado).. Figura 21. Circuito utilizado para medir voltaje de consumo. 27.

(39) 8.1.2. Prueba Corriente vs. Rpm La toma de datos de Corriente vs. Rpm se realiza de acuerdo al circuito mostrado en la figura a continuación.. Figura 22. Circuito utilizado para medir corriente a la salida del generador (regulador desactivado).. Figura 23. Circuito utilizado para medir corriente de consumo 28.

(40) 8.2. Prueba de corte de energía y arranque a temperatura baja y alta Debido a la implementación del termostato se tienen picos y mínimos de potencia durante la operación del sistema de refrigeración que dependen del arranque o del corte de energía efectuado por el termostato a las temperaturas nominales del mismo. Se hacen dos tipos de pruebas, con alimentación eléctrica constante y con generación de potencia variable que en los siguientes numerales se explican más en detalle.. 8.2.1. Pruebas a potencia constante Esta prueba se lleva a cabo alimentando el sistema de refrigeración con 24V AC constante y directamente del transformador de corriente que a su vez se alimenta de la red eléctrica de 115V AC, y así poder medir durante un tiempo de 120 minutos la temperatura y el régimen de consumo de potencia del sistema de refrigeración cuando el termostato hace parte del circuito, es decir se medirá la potencia consumida y la temperatura de la cámara refrigerada con respecto al tiempo para poder observar los intervalos de temperatura de operación del termostato y la potencia de arranque y corte del sistema. El termostato se coloca en la posición 1 para todas las pruebas y se registran los datos de voltaje, corriente consumida y temperatura en la cámara refrigerada.. 8.2.2. Pruebas a potencia variable. La velocidad de giro del dinamo hace que la potencia generada este por debajo, sea igual o este por encima de la requerida por el sistema de. 29.

(41) refrigeración, por ello se realiza esta prueba para probar que en cada una de las tres circunstancias el sistema permanece estable.. Figura 24. Circuito utilizado para mediciones a potencia variable. 1: Corriente generada, 2: Corriente de carga, 3: Corriente de descarga, 4: Voltaje generado - regulado, 5: Voltaje de batería, 6: Voltaje salida inversor. Se varia la velocidad de giro desde cero hasta 2650 rpm (0 – 60 Hz en intervalos de 5 Hz) cada diez minutos durante 120 minutos para que el sistema pueda experimentar las tres condiciones de operación (deficiente, igual y excesiva generación de potencia). Se registran los datos del panel de control y de temperatura en la cámara refrigerada.. 30.

(42) 9. MONTAJ E DEL SISTEMA EÓLICO – ELÉCTRICO. Para el montaje de todo el sistema se utilizó como base un carro de plataforma con ruedas, y así poder facilitar el traslado de los equipos y el montaje total del sistema. En el momento de iniciar el montaje se decidió pobrar el dinamo para asegurar un correcto funcionamiento. El dinamo se prueba inyectándole energía por medio de una batería de 12V DC, conectándolo directamente a la batería se comprueba que el colector y las escobillas están haciendo buen contacto girando a altas revoluciones y es fácil detenerlo con la mano, para probar que las piezas polares están generando campo electromagnético se hace un puente con la salida del dinamo D+ y la salida del campo FLD+, así el campo se energiza y si el rotor del generador esta girando este disminuye su velocidad pero aumenta el torque a tal punto que se hace imposible detenerlo con la mano. Los siguientes diagramas muestran como se realizó la prueba.. Figura 25. Prueba para el rotor del dinamo. Gira a altas revoluciones pero bajo torque. 31.

(43) Figura 26. Prueba para el campo magnético del dinamo. Gira a bajas revoluciones con alto torque.. Al primer intento el dinamo no funcionó, y se procedió a averiguar el por qué de esta falla. Se encontró que las salidas FLD- y D- no estaban conectadas propiamente a sus terminales respectivas, es decir la soldadura que hace el contacto con la terminal se encontró partida, haciendo la reparación adecuada. Uno de los rodamientos sobre los cuales va el eje del rotor soportado se encontró dañado, más específicamente el ubicado en la parte de la tapa de las escobillas. Se reemplazó por un rodamiento SKF – Explorer 6200-2Z/C3. Además se realizó una limpieza a las escobillas y al colector del dinamo ya que presentaban mucha suciedad adherida que podría llegar a disminuir la eficiencia del dispositivo.. 32.

(44) Figura 27. Restauración del dinamo. 1: Estator, 2: Pieza polar no conectadas a las terminales, 3: Escobilla, 4: Colector, 5: Rotor, 6: Rodamiento averiado.. 9.1. Caracterización del generador Se encontró la necesidad de utilizar como carga un reóstato prestado por el laboratorio de ingeniería eléctrica y electrónica de la universidad, ya que inicialmente se pensaba utilizar una batería de 12V DC pero estaban averiadas. El reóstato es un dispositivo muy conveniente ya que nos permite encontrar diferentes eficiencias en la generación de acuerdo a la carga aplicada. Se utilizó un multímetro para medir el voltaje generado y se vio la necesidad de usar un amperímetro análogo marca Techman de 30A DC para medir la corriente generada, esto debido a que los multímetros con los que se contaron solo miden hasta 10A en corriente continua.. 33.

(45) Figura 28. Montaje con el que se realizó la caracterización del dinamo. Para las pruebas de consumo se utilizó la batería nueva adquirida de marca Magna de 12V DC y 45 Ah en ve z del reóstato.. 9.2. Sistema generación Inicialmente se acopló el eje del motor con el de el dinamo por medio de un acople directo, sin embargo fue necesario montar un sistema de transmisión de potencia por medio de una correa y poleas con una relación 1:1.5, y así alcanzar mayor velocidad de rotación en la entrada del dinamo, esto de debe a que los dinamos provenientes de sistemas eléctricos de automóviles giran a altas revoluciones, usualmente al doble de las revoluciones del motor para poder generar suficiente potencia y así suplir la demanda eléctrica del sistema. Se utilizó una correa de transmisión tipo M de marca Power Prix y referencia M-30. Se anclaron fuertemente tanto el motor como el dinamo a la base para evitar vibraciones indeseadas y se tensionó muy bien la correa transmisora y de esa manera evadir posibles problemas y deficiencias en la transmisión de potencia.. 34.

(46) Figura 29. Sistema de transmisión de potencia con relación 1:1.5. El motor eléctrico va conectado al variador de frecuencia y este a su vez a la toma de corriente de 220V AC. La velocidad nominal del motor trifásico utilizado es de 1720 rpm y se alcanza a una frecuencia de 60Hz, a medida que la frecuencia varía la velocidad de giro del motor lo hace también de acuerdo a la siguiente relación:. ω[ rpm] =. 60 ⋅ frecuencia[ Hz] # pares _ de _ polos. Entonces si a 60 Hz tenemos 1800 rpm en la salida del motor eso quiere decir que el motor tiene dos pares de polos.. 9.3. Sistema de control y acondicionamiento de señal El regulador de voltaje, se posicionó al lado del dinamo, la batería se encuentra dispuesta atrás del motor eléctrico. Esto se hizo así para dejar espacio sobre la plataforma del carro con ruedas para ubicar otros dispositivos futuros. El inversor de 300W fue anclado en uno de los lados de 35.

(47) una estructura cubica que se le agregó a la plataforma con ruedas en donde además de lo anterior en el lado opuesto se encuentra un panel de control con dispositivos de medición de corriente, voltaje y el botón de encendido y stand by. La siguiente figura deja ver la ubicación final de los distintos dispositivos que componen el sistema de control.. Figura 30. Ubicación final del. Figura 31. Ubicación final del. regulador y la batería.. inversor de 300W.. Figura 32. Panel de control y encendido. Se utilizó cable calibre 10 multifilar para realizar las conexiones por donde fluye una alta corriente ya que este es capaz de soportar corrientes de hasta. 36.

(48) 28 A, para las demás terminales de baja corriente se usó cable calibre 16 multifilar.. 9.4. Sistema de refrigeración El sistema de refrigeración como ya se mencionó antes ya se encontraba montado, y cuenta con su plataforma móvil también. Ver figura 12.. 9.5. Integración de los subsistemas La integración de todos los subsistemas se llevó a cabo con éxito y se logró un montaje sólido y que a su vez puede ser móvil gracias a la plataforma sobre la cual se hizo todo el montaje. Se utilizó cable calibre 10 y 16 junto con terminales en u, planas y de ojo para las conexiones, tornillería, madera laminada para la caja donde va el panel de control y ángulos de aluminio para anclar los dispositivos que lo necesitan (dinamo, regulador y caja de control) a la base móvil y así lograr la integración de todos los subsistemas (generación y control). Las figuras 35 y 36 nos muestran el montaje terminado y listo para ponerse en funcionamiento.. 37.

(49) Figura 33. Montaje final. Figura 34. Montaje Final. El circuito que representa el montaje final se presenta a continuación en la figura 35.. Figura 35. Diagrama de conexiones del montaje final. 1: Corriente generada, 2: Corriente de carga, 3: Corriente de descarga, 4: Voltaje generado regulado, 5: Voltaje de batería, 6: Voltaje salida inversor. En el anexo G se puede ver el esquema de conexiones utilizado e instrucciones para alimentar el compresor por medio inversor Monster de 300W respectivamente. 38.

(50) 10. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE DATOS. 10.1. Resultados y análisis de datos de caracterización del generador. 10.1.1. Pruebas Voltaje Generado vs. Rpm. Teniendo en cuenta la grafica 1, en todo el rango de revoluciones que va de 0 a 2650 rpm, las tres configuraciones logran hacer que el voltaje producido por el dinamo se estabilice antes de alcanzar la velocidad tope. Para la condición de mas carga en el reóstato que es de 4,75 Ohm fue en la cual se obtuvo el mayor voltaje generado que fue de 18.4V y para la condición de menos carga con 1.41 Ohm se obtuvo valores mínimos de voltaje del orden de 16.5V. El dinamo logra superar los 12V generados para las tres condiciones de carga en la prueba de caracterización después de superar las 1300, 1500 y 1700 rpm para 4.75, 2 y 1.41 Ohm respectivamente.. Los dinamos de este tipo pueden ser de 6, 12 ó 24V y como en este caso en particular no se encontró ningún tipo de etiqueta o marca en el mismo no era de totalidad certeza decir que era un dinamo de 12V pero gracias a esta prueba se comprobó, ya que el de 6V nunca alcanza los 12V y el de 24V debe generar mas de 24V, y de esta manera el dinamo generando voltajes mayores a 12V pero inferiores a 24V se puede decir ciertamente que es un dinamo que perteneció a un sistema eléctrico automotriz de 12V.. 39.

(51) Voltaje Generado 20 18 16. Voltaje (V). 14 12 10 8 6 4 2 0 0. 250. 50 0. 750. 1 000. 125 0. 1 500. 17 50. 2000. 22 50. 2500. Velocidad (rpm) 4,75 Ohm. 2 Ohm. 1,41 Ohm. Grafica 1. Resultados voltaje generado con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la caracterización.. 10.1.2. Pruebas Corriente Generada vs. Rpm. El dinamo como parte del sistema eléctrico de un automóvil como ya se había mencionado antes fue reemplazado por el alternador debido a la poca o nula corriente que genera a bajas revoluciones, incluso por encima del ralenti de un automóvil promedio que es del orden de 1000 rpm. En la grafica 3 se presentan los resultados obtenidos en la prueba de corriente durante la caracterización del dinamo. A menor carga en el reóstato más rápido el dinamo empieza a generar corriente y es evidente que a menos carga en el reóstato más corriente se genera, cuestión opuesta para el voltaje como se mencionó en el numeral anterior. El dinamo logra generar hasta 18A con la configuración de menor carga (1.41Ohm), 12A con 2 Ohm de carga y solo 4A con la configuración de mayor carga (4.75 Ohm), para las tres condiciones el régimen máximo de revoluciones en el rotor del dinamo se alcanza con una 40.

(52) corriente estabilizada desde las 1750 rpm aproximadamente en los tres casos.. Corriente Generada 20 18 16 Corriente (A). 14 12 10 8 6 4 2 0 0. 250. 500. 750. 100 0. 125 0. 150 0. 175 0. 200 0. 225 0. 250 0. Ve locidad (rpm) 4,75 Ohm. 2,0 Ohm. 1 ,41 Ohm. Grafica 2. Resultados corriente generada con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la caracterización.. 10.1.3. Pruebas Potencia Generada vs. Rpm El sistema de refrigeración [5] tomado como base para este proyecto cuenta con un compresor el cual exige una potencia real de arranque del orden de 220W y por lo tanto se hace necesaria esta prueba de potencia, para poder saber de antemano si el sistema de generación eventualmente es capaz de suplir la demanda eléctrica del compresor. Los resultados se muestran en la grafica 3, donde evidentemente a mayor carga en el reóstato menos potencia es capaz de generar el dinamo. Se obtuvo una potencia máxima del orden de los 300W para la configuración de menos carga, de 200W para la condición de carga de 2 Ohm y 75W para la 41.

(53) de 4.75 Ohm. Los dinamos son capaces de generar altas corrientes (30 – 50A) siempre y cuando este gire a altas rpm (5000 – 6000 rpm) y que para el caso especifico de este proyecto son muy complicadas de alcanzar, pero sin embargo la potencia pico la tenemos antes de las 2650 rpm que es el limite del sistema implementado. Entonces así garantizamos que el sistema esta en capacidad de suplir la demanda eléctrica del compresor holgadamente ya que con el transcurso del tiempo la potencia requerida disminuye hasta estabilizarse en los valores nominales del orden de 65W. Los ordenes de potencia anteriormente mencionados no necesariamente van a ser alcanzados siempre y esto es debido a que la generación de corriente depende del nivel de carga de la batería que se explicará en mas detalle en el numeral siguiente, pero en caso tal de necesitar alcanzar potencias picos la batería puede suministrar la potencia restante para luego ser recargada por el dinamo a medida que su voltaje decrece y esta así lo requiera.. Potencia Generada 35 0 30 0. Potencia (W). 25 0 20 0 15 0 10 0 50 0 0. 250. 500. 75 0. 10 00. 12 50. 15 00. 1 750. 2 000. 2 250. 2 500. Ve locidad (rpm) 4,75 Ohm. 2 ,0 Ohm. 1 ,41 Ohm. Grafica 3. Resultados potencia generada con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la caracterización.. 42.

(54) 10.2. Resultados y análisis datos de pruebas de consumo. 10.2.1. Prueba Voltaje de consumo vs. Rpm. Se realizó la prueba de consumo y se observó que el voltaje generado supera los 12V alrededor de las 1100 rpm y alcanza los 12.6V alrededor de las 1200 rpm que es el voltaje de la batería. Si mantenemos el sistema en este punto cuando los dos voltajes son relativamente iguales, el sistema no va a ser capaz de cargar la batería ya que se requiere un voltaje superior al de ella misma para que la corriente fluya hacia las celdas. A partir de las 1200 rpm claramente según la grafica 4 se nota que el voltaje de la batería empieza a aumentar de acuerdo al voltaje generado y es solo cuando alcanzamos los 13.8V en el dinamo que el Relay del regulador se cierra y regula la excitación del campo para lograr mantener un voltaje estable que sea suficiente para cargar la batería y alimentar de forma segura los demás dispositivos que hagan parte del sistema sin llegar a quemarlos, todo esto ocurriendo alrededor de las 1250 rpm. Se nota una leve diferencia en el voltaje generado - regulado y el de la batería que se ubica cerca de los 13.6V, siendo normal para sistemas de generación que usan reguladores mecánicos de este tipo.. 43.

(55) Voltaje de consumo 16 14. Voltaje (V). 12 10 8 6 4 2 0 0. 250. 50 0. 750. 1 000. 125 0. 1 500. 17 50. 2000. 22 50. 2500. Ve locidad (rpm) Bate ría. Gene ra do - Regulado. Grafica 4. Resultados voltaje de consumo con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado. Los resultados anteriores expuestos en las graficas 1 y 4 dicen dos cosas principalmente, que el dinamo con el que se cuenta es efectivamente un dinamo de 12V y que la función reguladora del regulador mecánico instalado es la correcta para mantener la estabilidad del sistema.. 10.2.2. Prueba Corriente de consumo vs. Rpm Cuando se realiza la prueba de consumo de corriente incluyendo la capacidad reguladora del regulador y una batería de 12V DC con carga casi máxima, el comportamiento del dinamo difiere intensamente al visto en la grafica 2, la grafica 4 presenta los resultados obtenidos en la prueba de consumo de corriente. La cantidad de corriente generada va a depender del nivel de carga de la batería que hace parte del sistema, y esto es. 44.

(56) precisamente para evitar sobre cargar la batería cuando se encuentre en su máxima capacidad de carga. A partir de las 1250 rpm es cuando el dinamo empieza a generar corriente y esto se debe a que ese es el momento en que el voltaje generado ya ha superado al de la batería, el relay se abre y la corriente empieza a fluir hacia las celdas como ya se menciono en el análisis de voltaje de consumo, es decir hasta que el voltaje generado no supera el de la batería la generación de corriente es totalmente nula y es allí donde esta la principal flaqueza del dinamo en los sistemas eléctricos automotrices al necesitar altos regimenes usualmente por encima del Ralenti para generar suficiente potencia para que la corriente fluya hacia la batería y garantizar que no se presenten insuficiencias en el suministro eléctrico. Debido al estado previo de la batería que era de carga casi completa se presenta la caída de corriente generada y de carga. Hay ciertas perdidas de potencia en el sistema que se representa en calor disipado especialmente en el regulador, por eso la diferencia entre las dos corrientes de la grafica 5.. 45.

(57) Corriente de consumo 7 6. Corrie nte (A). 5 4 3 2 1 0 0. 250. 500. 7 50. 10 00. 125 0. 1500. 1 750. 20 00. 225 0. 2500. Ve locidad (rpm) Corriente de carga. Corriente gene ra da. Grafica 5. Resultados corriente de consumo con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.. 10.2.3. Prueba potencia de consumo vs. Rpm La grafica 6 ilustra los resultados en la prueba de potencia de consumo, y presenta en el rango de 0 – 1250 rpm un comportamiento similar a la prueba de corriente de consumo y esto es debido a que como ya se dijo antes, la corriente solo fluye cuando el voltaje generado es superior al de la batería y entonces solo hay disponibilidad de potencia cuando lo anterior ocurre. Superadas las 1250 rpm la grafica de potencia de consumo sigue siendo muy similar a la de corriente y esto debido a que el voltaje se mantiene en un valor constante (13.7V) gracias al regulador. No se alcanzo gran potencia de consumo debido al estado de carga de la batería, pero implementando una batería descargada esta potencia puede aumentar drásticamente.. 46.

(58) Potencia de consumo 90 80. Potencia (W). 70 60 50 40 30 20 10 0 0. 25 0. 50 0. 75 0. 100 0. 125 0. 150 0. 175 0. 200 0. 225 0. 2500. Ve locidad (rpm) Potencia de c arga. Potencia gene ra da. Grafica 6. Resultados potencia de consumo con respecto a la velocidad de giro del rotor del dinamo en la prueba con regulador activado.. 10.2.4. Prueba Eficiencia eléctrica del regulador vs. Rpm Es de suma importancia cuantificar la eficiencia eléctrica del regulador, ya que este es el encargado de adecuar la potencia generada por el dinamo y distribuirla y adminístrala por todo el sistema eléctrico de generación y carga, haciéndose un dato primordial para el dimensionamiento de los equipos eléctricos (en este caso el compresor de 24V AC y 65W nominal) que en un futuro serán alimentados por este sistema en particular. La eficiencia eléctrica del regulador se calcula por medio del coeficiente entre la potencia de carga y la potencia generada anteriormente calculadas. La diferencia entre potencias (generada y carga) evidenciada por la grafica 6 se atribuye a perdidas en el regulador ya que los demás componentes 47.

(59) presentes en el flujo eléctrico son de baja o nula resistencia como voltímetros, amperímetros y cableado eléctrico. En el momento que el dinamo empieza a generar corriente inmediatamente el flujo de la misma se dirige hacia la batería en este caso o hacia los equipos eléctricos demandando potencia pero no sin antes experimentar perdidas eléctricas. Los resultados de la cuantificación de la eficiencia eléctrica del regulador se muestran en la grafica 7. Una vez mas se observa un comportamiento similar a aquel en la prueba de corriente de consumo que es un súbito aumento en el valor de la eficiencia del regulador a partir de las 1000 rpm y es solo cuando el voltaje generado supera al de la batería a las 1250 rpm que se activa la capacidad reguladora del regulador, entonces así el valor de la eficiencia eléctrica del regulador comienza a crecer establemente debido al flujo constante de corriente hacia la batería o demás componentes. A regimenes bajos de rotación (1250 rpm) la eficiencia es minima y es del orden del 75%, a partir de este punto la eficiencia empieza a crecer constantemente, alcanzando eficiencias máximas del orden del 85% al régimen máximo alcanzado por el sistema de generación (2650 rpm). Es de esperarse que esta eficiencia nunca alcance el 100% pero si valores cercanos del orden del 90% a muy altas revoluciones que probablemente nunca serán alcanzadas. En la prueba de potencia generada se estableció que la potencia máxima que se puede generar con este sistema de generación esta por el orden de los 300W a 2600 rpm aproximadamente, y como la eficiencia del regulador es conocida a dicho régimen de rotación se puede predecir la potencia real máxima. que. el sistema. construido. puede. proporcionar. que será. aproximadamente 255W, siendo suficiente para suplir la potencia de arranque del sistema de refrigeración que es del orden de los 220W y en consecuencia su potencia nominal que es de 65W.. 48.

(60) La grafica de potencia consumida con respecto al tiempo por el compresor perteneciente al sistema de refrigeración para el cual se diseño este proyecto puede ser vista en el anexo H ó referirse a [5] para mas detalles.. Eficiencia eléctrica del regulador 90 80. Eficiencia (%). 70 60 50 40 30 20 10 0 0. 25 0. 500. 750. 100 0. 1250. 1500. 1750. 2 000. 2 250. 2500. Velocidad (rpm ). Grafica 7. Resultados eficiencia del sistema de regulación bajo condiciones de consumo.. 49.

(61) 11. CONCLUSIONES. Se. diseñó. y. construyó. un. sistema. de. generación,. control. y. acondicionamiento de señal capaz de suplir la potencia de arranque y la potencia de estabilización de un compresor de 24V AC así como también con la posibilidad de suplir hasta 300W continuamente a una tensión de 115V AC y siendo además una fuente confiable de corriente directa de 12V. Cerca de las 2000 rpm se obtuvo una potencia pico de 300W con una carga de 1,41 Ohm en el reóstato durante las pruebas de caracterización del dinamo, manteniéndose relativamente estable hasta las 2650 rpm, y que en este caso nos asegura que la potencia generada bajo condiciones de consumo puede ser igual o mayor debido a la tendencia que entre menos carga mas potencia generada ya que en condiciones reales de operación la resistencia del sistema será mucho menor. La principal flaqueza del dinamo es que la cantidad de corriente generada a velocidades de rotación inferiores a 1000 rpm bajo condiciones de consumo es muy baja y casi nula debido que es a partir de las 1250 rpm que el interruptor de retorno se abre y empieza a haber flujo de corriente hacia el sistema de carga o consumo. La potencia que el sistema de generación produzca depende directamente del voltaje de la batería ya que si su voltaje es de alrededor de 13V significa que esta muy cargada y el regulador no le suministra corriente para no sobrecargarla, por otro lado si el voltaje de la batería es muy bajo del orden de los 11V significa que la batería esta casi totalmente descargada y es allí 50.

(62) cuando el regulador deja pasar mucha mas. corriente para cargar. rápidamente la batería. Esta corriente de carga no se mantiene constante con el tiempo debido a que el voltaje en la batería va aumentando a medida que se carga, disminuyendo así el flujo de corriente.. Se comprobó la correcta función reguladora del regulador de voltaje para dinamo, como se observa en la grafica 4 a partir de las 1250 rpm el voltaje se mantiene estable independientemente de la velocidad de giro del generador, asegurando así la estabilidad del sistema. El regulador mecánico implementado es el protagonista del sistema de control ya que cumple varias funciones tales como regular el voltaje, el amperaje y evitar que el dinamo consuma potencia de la batería cuando el voltaje de ella supera al generado por medio del interruptor de retorno. La eficiencia eléctrica de este artefacto se cuantificó y se encontró que crece a medida que el régimen de rotación del dinamo aumenta, lamentablemente el sistema de transmisión de potencia que hace parte del sistema de generación no permite alcanzar aquella velocidad de rotación en la que la eficiencia del regulador se hace máxima y se estabiliza. La grafica 7 evidencia que a 2650 rpm la eficiencia eléctrica del regulador es de casi el 85% y con tendencia a incrementar y una eficiencia minima de 75% a las 1250 rpm. Esta eficiencia es muy importante ya que nos ayuda a saber cual es la potencia real suministrada al sistema de carga y consumo con respecto a la velocidad de giro.. En la prueba a potencia variable y de arranque del compresor de 24V AC se utilizaron dos baterías de 12V dispuestas en serie y el inversor Tecumseh con el que el sistema cuenta, pero después de haber conectado todos los componentes al inversor de acuerdo a [5] el compresor no arrancó. Se decidió probar por separado el inversor y se encontró que las salidas 1, 2 y 3 que deben proporcionar la salida a un voltaje de 24V AC no lo estaban 51.

(63) haciendo. Es ahí cuando se decide mandar a fabricar el transformador con un primario de 115V AC y un secundario de 24V AC para no tener que hacer uso del inversor Tecumseh y así poder darle arranque al sistema, pero una ve z mas en el momento del arranque del compresor este tampoco reaccionó y es allí cuando se sabe que el problema no era solo del inversor si no de todo el sistema eléctrico del sistema de refrigeración, que pudo haber sido causa de una alimentación excesiva al alimentarlo sin un regulador de voltaje ya que el inversor solo aguanta 8A, que es lo justo para proporcionar la potencia de arranque. En conclusión el sistema de generación y control opera de forma correcta y estable en todo el rango de velocidades de rotación del dinamo y es capaz de suplir teóricamente la demanda eléctrica el compresor de 24V AC del sistema de refrigeración de [5].. 52.

(64) 12. RECOMENDACIONES. Para que el sistema construido pueda ser utilizado en aplicaciones eólicas es recomendable y de suma obligación implementar un sistema de transmisión de potencia multiplicador ya que el dinamo como se ha mencionado en repetidas oportunidades anteriormente genera potencia a partir de las 1250 rpm, el cual es un régimen de rotación imposible de obtener directamente del rotor en un sistema eólico pequeño de generación de energía eléctrica. Dichos sistemas operan a un máximo de 600 rpm según [2] y seria necesario que este genere potencia a bajos regimenes también, por lo que se recomienda una relación de por lo menos de 1:10 ya sea por poleas o por una caja multiplicadora de engranajes posiblemente planetaria para poder aprovechar de una mejor forma la potencia de el viento.. Se recomienda la reparación del compresor de 24V AC para poder ser alimentado y probar el sistema de generación en condiciones de consumo reales y así probar la teoría, pero aun así seria recomendable reemplazar el compresor actual por uno de 12V DC que pueda ser alimentado directamente del regulador y evitar así perdidas de eficiencia y restricciones en la potencia suministrada, eventualmente un compresor con una mayor capacidad frigorífica si es necesario. Los compresores de 12V DC son en la actualidad demasiado escasos en el mercado colombiano pero sin embargo se pueden conseguir de segunda mano y en buen estado gracias a su hermeticidad.. 53.

(65) 13. BIBLIOGRAFÍA. 1. Beltrán, Rafael G. Principios. de conversión térmica de energía.. Universidad de los Andes, 1992.. 2. Mukund R. Patel, Wind and Solar Power Systems. CRC Press, 1999. 3. Burton, Sharpe, Jenkins, Bossanti. Wind Energy Handbook. Wiley, 2001. 4. Sonntag, Borgnakke, Van Wylen. Fundamentals of Thermodynamics. Wiley Fifth Edition, 1998.. 5. Salgado, Andrés F. Diseño y construcción de un sistema de refrigeración con almacenamiento de masa fría alimentado con un modulo fotovoltaico. Tesis de ingeniería mecánica. Universidad de Los Andes, 2004. 6. www.windpower.org. 7. www.globalspec.com 8. Fariñas, Jacobino, Martíne z. Generador de imanes permanentes en la generación de energía. Centro de Estudios. de Termoenergética. Azucarera. C.E.T.A. 9. Piggott, H. Wind Electric. Febrero 2001. 10. Robert Bosch GmbH. Automotive electric/electronic systems. BOSCH, 1988. 54.

(66) 11. Schwoch, Werner. Manual practico del automóvil, mecanismos. Editorial reverté S.A., 1980.. 12. www.nosso.com.ar 13. www.mgaguru.com. 14. Beltrán R., Talero A. Refrigeración eólica: Diseño y resultados de una instalación experimental. Universidad de los Andes.. 15. www.tecumseh.com.br. 55.

(67) 14. ANEXOS. Anexo A. Diagrama de conexiones de un regulador BOSCH de 12V. Tomado de [13] 56.

(68) Carga en el reóstato 4,75 Ohm. 2 Ohm. Frecuencia Velocidad Velocidad Voltaj e Corriente Potencia ALTIVAR Motor Gen (rpm) Gen (V) Gen (A) Gen (W) (Hz) (rpm) 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 5 143,00 212,91 0,18 0,00 0,00 10 245,00 364,78 0,41 0,00 0,00 15 443,00 659,58 0,73 0,00 0,00 20 593,00 882,92 1,24 0,00 0,00 25 739,00 1100,30 5,05 0,30 1,51 30 884,00 1316,19 10,88 3,20 34,82 35 1030,00 1533,57 15,96 4,90 78,20 40 1179,10 1755,56 18,40 5,50 101,20 45 1330,70 1981,28 18,38 4,90 90,08 50 1481,00 2205,06 18,32 4,50 82,44 55 1632,50 2430,63 18,30 4,30 78,69 60 1779,30 2649,20 18,40 4,20 77,28. 1,41 Ohm. Voltaj e Corriente Potencia Voltaj e Corriente Potencia Gen (V) Gen (A) Gen (W) Gen (V) Gen (A) Gen (W) 0,00 0,19 0,44 0,79 1,38 4,00 8,07 12,25 16,51 17,32 17,24 17,25 17,26. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,80 5,25 8,50 11,35 12,10 12,00 12,00 12,00. 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 4,47 42,39 104,13 187,39 209,57 206,88 207,00 207,12. 0,00 0,17 0,39 0,69 1,19 2,86 5,31 8,44 13,07 16,04 16,56 16,43 16,40. 0,00 0,00 0,10 0,15 0,25 4,95 8,75 13,60 17,90 18,10 17,90 17,40 17,40. 0,00 0,00 0,04 0,10 0,30 14,16 46,47 114,78 233,97 290,32 296,33 285,88 285,41. Anexo B. Datos registrados durante la toma de datos para la caracterización del generador. Voltaj e batería 13 13 13 13 13 13 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5. Voltaj e generado regulado 0 0,4 0,7 1,2 2,1 12,5 13,7 13,7 13,7 13,7 13,7 13,7 13,7. Corriente de carga Corriente generada Potencia de carga 0 0 0 0 0 0 0,29 4,5 4,4 4 3,8 3,4 3,4. 0 0 0 0 0 0 0,38 6 5,75 4,9 4,6 4 4. 0 0 0 0 0 0 3,91 60,75 59,4 54 51,3 45,9 45,9. Potencia generada regulada 0 0 0 0 0 0 5,20 82,2 78,77 67,13 63,02 54,8 54,8. Anexo C. Datos registrados durante la toma de datos para las pruebas de consumo. 57.

(69) Anexo D. Compresor utilizado.. Anexo F. Vál vula de expansión y. Anexo E. Condensador utilizado. evaporador utilizados.. 58.

(70) Anexo G. Instrucciones de instalación del inversor Monster de 300W.. Anexo H. Potencia consumida por el compresor del sistema de refrigeración. Tomado de [5].. 59.

(71)