Energía eólica
El Viento
Origen del viento:
El viento es toda masa de aire en movimiento, se produce a causa de la desigualdad del calentamiento por parte del sol de la superficie terrestre, siendo este fenómeno la fuente de energía eólica, en otras palabras, la energía mecánica que en forma de energía cinética, transporta el aire en movimiento. La tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol que en lugares favorables puede llegar a ser del orden de 2000 kW/m2 anuales; el 2% de ella se transforma en energía eólica capaz de proporcionar una potencia del orden 1017 kW
La tierra funciona como una gran máquina térmica que transforma parte del calor solar en la energía cinética del viento, Fig. 1. La energía eólica tiene como ventajas la de ser inagotable, gratuita y no lesiva al medio ambiente ya que no produce emisiones de gases de efecto invernadero, ni desechos sólidos en su producción, pero presenta los inconvenientes de ser dispersa y aleatoria. Bajo la acción de la presión, el aire de la atmosfera se desplaza de un lugar a otro a diferentes velocidades, dando lugar al viento. El gradiente de velocidades es mayor cuanto mayor sea la diferencia de presiones y su movimiento viene influenciado por el movimiento de la tierra. Las causas principales del origen del viento son:
a) La radiación solar incide más en la línea del ecuador que en los polos.
b) La rotación de la tierra que provoca desviaciones hacia la derecha del hemisferio norte, y hacia la izquierda en el hemisferio sur.
c) Perturbaciones atmosféricas.
Velocidad del viento
El viento está definido por varios parámetros pero los más esenciales son su dirección y su velocidad. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo condujeron a la ejecución de la llamada rosa de los vientos, figura usada para mostrar la orientación de las direcciones cardinales, Fig. 2.
La velocidad media del viento varía entre 3 y 7 m/seg, según diversas situaciones meteorológicas; es elevada en las costas, más de 6 m/seg, así como en algunos valles más o menos estrechos. En otras regiones es, en general, de 3 a 4 m/seg, siendo bastante más elevada en las montañas, dependiendo de la altitud y de la topografía. La velocidad del viento varía según la temperatura y la hora del día, “La velocidad media del viento es más débil durante la noche, variando muy poco, aumenta a partir de la salida del Sol y alcanza un máximo entre las 12 y 16 horas solares”.
Definición de Viento según Intervalo de Medición Se puede consideran 3 tipos de definiciones según el intervalo de medición del viento: - Viento instantáneo: Es el máximo instantáneo de velocidad medido en un intervalo de tiempo determinado . - Viento medio aeronáutico: Mide la velocidad promedio del viento durante 2 minutos . - Viento medio meteorológico: Mide la velocidad promedio del viento durante 10 minutos y es usado para evaluar la ocurrencia de ráfagas. Se precisa establecer la diferencia entre picos de viento y ráfagas ya que estos términos usualmente tienden a confundirse el uno con el otro. Una ráfaga es un aumento brutal y de corta duración de la velocidad del viento, propio de tormentas El golpe de viento concierne a la velocidad media del viento, cuando sobrepasa los 34 nudos, 62 km/hora, y es una señal de advertencia, sobre todo para la navegación marítima. Un golpe de viento se corresponde con una velocidad media del viento comprendida entre 75 y 88 km/hora .
Modelo Teórico de Betz y Energía Útil del Viento El modelo matemático más utilizado en la práctica para definir la energía proporcionada por una masa de aire en movimiento a una turbina eólica, es el propuesto por Albert Betz su libro “Wind Energie” publicado en 1926. Betz define la potencia captada por un obstáculo (en este caso se considera un aerogenerador por conveniencia) como la diferencia entre la energía cinética antes y después de pasar por el obstáculo a como se observa en la Fig. 3.
Como se muestra en la figura para mantener la masa del aire constante la vena se ensancha y se observa una mayor superficie de la masa del aire después de pasar por el aerogenerador.
La igualdad que se puede plantear es la siguiente:
𝑆1𝑉1 = 𝑆𝑉 + 𝑆2𝑉2
Donde
𝑆1 = Superficie ocupada por la masa de aire antes de pasar por el obstáculo
𝑉1 = Velocidad del viento antes de pasar por el obstáculo
𝑆 = Superficie ocupada por la masa de aire en el obstáculo
𝑉 = Velocidad del viento en el obstáculo
𝑆2= Superficie ocupada por la masa de aire después de pasar por el obstáculo
𝑉2= Velocidad del viento después de pasar por el obstáculo
Utilizando la fórmula de Euler se tiene la siguiente igualdad en términos de la fuerza 𝐹 que ejerce el aerogenerador sobre el aire en movimiento:
𝐹 = 𝜌𝑄(𝑉1 − 𝑉2 ) = 𝜌𝑆𝑉(𝑉1 + 𝑉2)
Dónde:
𝜌 = Densidad del aire
𝑄 = Caudal (m3 /s)
Ahora la potencia absorbida por la fuerza 𝐹 cuyo punto de aplicación se desplaza a la velocidad 𝑉 respecto de las moléculas del aire en movimiento es:
𝑃 = 𝐹𝑉 = 𝜌𝑆𝑉 2 (𝑉1 − 𝑉2)
Ahora si asumimos que la potencia absorbida es igual a la variación del tiempo ∆𝑡 de la energía cinética de la masa del aire que atraviesa por segundo el generador tenemos que:
∆𝑡 = 1 2 𝜌𝑆𝑉(𝑉1 2 − 𝑉2 2 ) = 𝑃 = 𝜌𝑆𝑉 2 (𝑉1 − 𝑉2)
De donde se puede deducir que:
𝑉 = (𝑉1 − 𝑉2)/2
Si se sustituye este valor en las ecuaciones F y P se obtienen las siguientes expresiones:
𝐹 = 1 2 𝜌𝑆(𝑉1 2 − 𝑉2 2 ) 𝑃 = 1/4𝜌𝑆(𝑉1 2 − 𝑉2 2 )(𝑉1 + 𝑉2)
Para estudiar la variación de la potencia 𝑃 en función de la velocidad residual 𝑉2 y se supone constante la velocidad antes de pasar por el aerogenerador 𝑉1 se tiene que:
𝛿𝑃 𝛿𝑉2 = 1/4𝜌𝑆(𝑉1 2 − 2𝑉2 2 𝑉1 − 𝑉2 2 )
Como la derivada admite dos raíces al igualarse a 0: 𝑉2 = −𝑉1 la cual no tendría ningún significado y 𝑉2 = 𝑉1/3 que es un punto característico.
Si se supone que la velocidad V2 después que ha pasado el generador es 0 se puede decir que la potencia obtenida es máxima. Entonces se obtendría:
𝑃𝑜 = 8/27𝜌𝑆𝑉1 3
La relación entre la potencia obtenida del viento y la máxima obtenible ante un viento no perturbado por el paso a través del generador sería la siguiente:
( 𝑃 𝑃𝑜 ) = 1/2 (1 − ( 𝑉2 𝑉1 ) 2 ) (1 + ( 𝑉2 𝑉1 ))
Podemos graficar esta función y se obtiene lo siguiente:
De la Fig. 4 se puede deducir que la función tiene una máxima a 𝑉2 𝑉1 = 1/3 y que el máximo valor de potencia obtenible es aproximadamente 0.5926 o 16/27 (teóricamente) del total de la potencia que posee el viento.
De acuerdo con verificaciones realizadas con equipos de medición modernos (Iannini, 2010) la potencia a obtener en grupos eólicos de dos palas se ubica en 𝑃 = 0.10𝐷 2𝑉 3 𝑃 = 𝑘𝑊,𝐷 = 𝑚 𝑦𝑉 = 𝑚/𝑠. El coeficiente 0.10 puede alcanzar 0.13 para diámetros superiores a 60m.
Principios de Aerodinámica en aspas y Perfiles NACA El viento está compuesto por diferentes moléculas que se mueven de manera muy aleatoria pero si se miden las velocidades instantáneas de cada uno de estos flujos estos se pueden aproximar a un valor medio. Al colocar un objeto en un flujo de viento se observará una resistencia al paso del flujo deformándolo dependiendo de la posición de este con respecto al flujo y a su forma. La resultante R de las fuerzas aplicadas a una placa plana es un vector cuyo punto de aplicación es su centro aerodinámico o centro de empuje siendo su dirección, perpendicular a la placa, su sentido el del viento y su intensidad proporcional a la superficie S expuesta y al cuadrado de la velocidad del viento v, en la forma :
𝑅 = 𝐶𝑤𝜌 𝑆𝑣 3/ 2 = 𝑘𝑆𝑣 2
Donde k es un coeficiente que depende del ángulo de incidencia de las unidades elegidas y de la turbulencia del movimiento
Cw: coeficiente de resistencia (penetración)
p: densidad del aire
S: Sección frontal del perfil
Si el ángulo de incidencia es pequeño, la sobrepresión aparece en la parte inferior de la placa y la depresión por encima, por lo que aparece una fuerza que tiende a elevarla conocida como fuerza de sustentación o elevación ver figura 6.
Para un perfil diseñado en forma aerodinámica se definen dos zonas que son:
- El Extradós: Parte del perfil en donde el flujo de aire está en depresión
- El Intradós: Parte del perfil en donde los filetes de aire están en sobrepresión
Las fuerzas de arrastre y de ascensión en un perfil están definidas por las componentes del vector R ver figura 7. Dónde:
Farr: es la fuerza de arrastre
Fasc: es la fuerza ascensional
𝐹𝑎𝑟𝑟 = 𝑅 𝑠𝑒𝑛𝛼 = 𝑘𝑥𝑆𝑣 2
𝐹𝑎𝑠𝑐 = 𝑅 𝑐𝑜𝑠𝛼 = 𝑘𝑦𝑆𝑣 2
La cuerda es la longitud del perfil la cual es perpendicular al vector R, el empuje ascensional aumenta a medida que en ángulo 𝛼 disminuye, la cuerda se considera desde el borde de ataque del perfil al borde de salida posterior.
Los parámetros más usados para describir un perfil se enlistan:
1- La línea de cuerda es una línea recta que une el borde de ataque y el borde de fuga del perfil.
2- La cuerda es la longitud de la línea anterior.
3- La línea de curvatura media es la línea media entre el extradós y el intradós.
4- Curvatura máxima es la distancia máxima entre la línea de curvatura media y la línea de cuerda.
5- Espesor máximo es la distancia máxima entre la superficie superior e inferior (extradós e intradós).
6- Radio del borde de ataque es una medida del afilamiento del borde de ataque. Puede variar desde 0, para perfiles supersónicos afilados, hasta un 2 por 100 (de la cuerda) para perfiles más bien achatados.
Los perfiles usados en las aspas para generadores eólicos tienen distintos nombres según su geometría. Biconvexos son aquellos en el que tanto el intradós como el extradós son convexos, plano convexos son aquellos donde el extradós es convexo y el intradós plano y los de doble curvatura aquellos donde tanto el intradós como el extradós son cóncavos, esto está determinado por la línea de curvatura media del perfil. Los perfiles más utilizados en las máquinas eólicas de alta velocidad son de la serie NACA (National Advisory Committee of Aeronautics) y vienen determinados por un conjunto de cifras que definen su geometría. Las cifras que van detrás del sobrenombre NACA indican por su cantidad (cuatro o cinco cifras) y por su valor, los datos necesarios para poder determinar o construir el perfil completamente, dibujando primero la línea de curvatura media y distribuyendo después sobre ella el espesor correspondiente a un perfil simétrico, esto es, dan una ley de curvatura y una distribución de espesor.
Ejemplo: NACA 4412
1ra cifra (4) expresa la ordenada máxima de la línea de curvatura media en porcentaje de la cuerda (o longitud del perfil): 4% 2da cifra (4) Expresa la posición de dicha ordenada máxima en decimas de la cuerda medida desde el borde de ataque: En el 40% 3ra y 4ta cifra (12) Expresan el espesor máximo del perfil en porcentaje de la cuerda: 12%
Anemómetros
Un anemómetro es un dispositivo utilizado para medir la velocidad del viento descrito primeramente por Leon Battista Alberti; existen de diversos tipos, y a su vez estos se pueden clasificar en: anemómetros de rotación, de hélice y anemómetros de presión, y se utilizan también para ver la dirección del viento mediante una veleta anexa a ellos.
Anemometría de Hilo Caliente (CTA, Constant Temperature Anemometry)
+Se basa en el siguiente principio: Se hace pasar una corriente por un hilo muy fino. El paso de la corriente hace que se caliente. El hilo se refrigera por el paso de fluido, por convección. Así, la “cantidad” de enfriamiento será función de la velocidad del fluido. Cuando un conductor se calienta varía su resistencia, así variaciones en la velocidad del fluido producirán variaciones en la refrigeración del hilo, y por tanto en su temperatura, la cual afecta a la resistencia.
Así, de forma electrónica el anemómetro intenta mantener constante la temperatura del hilo, y para ello controla la corriente que circula por el hilo. La medida de esa corriente se puede correlacionar con la velocidad del fluido. Para el estudio del flujo turbulento o no estacionario el anemómetro de hilo caliente es muy superior a cualquier otro sistema excepto, quizás, los anemómetros de láser.
Entre los anemómetros más comúnmente utilizados están los siguientes:
- El anemómetro de presión
- Anemómetro de Rotación
- Anemómetros de hélice
Estos últimos están diseñados para medir vientos de velocidades entre 1 a 25 mph (1- 40 km/h), La velocidad de rotación de las hélices es proporcional a la velocidad del viento y puede ser medida de la misma manera que en un anemómetro de rotación.
La experiencia ha demostrado que este tipo de dispositivo es más preciso en la medición que un anemómetro de rotación.
Velocidad de Arranque de las Máquinas Eólicas
Las máquinas eólicas arrancan a una determinada velocidad del viento. Para ciertos tipos, esta velocidad de arranque puede ser muy pequeña, del orden de 2 m/s y para otros del orden de 3 m/s hasta 5 m/s . Se puede deducir entonces que la energía del viento cuya velocidad es menor a cierto valor Vm no es utilizable al tiempo que proporcionan la máxima potencia para unas velocidades iguales o superiores a una dada Vn (Velocidad Nominal). Se ha concluido también que la potencia proporcionada por el aerogenerador permanece constante e igual a la potencia nominal (potencia capaz de ser producida por la instalación en funcionamiento permanente). Investigadores han estudiado la relación entre la energía del viento susceptible de ser suministrada por una máquina y la energía calculada tomando el cubo de la velocidad media . Llegando a la siguiente ecuación.
𝐾𝑢 = 𝑉𝑁 3 (𝑇1 − 𝑇2) + ∫ 𝑉 3𝑑𝑡 𝑇3 𝑇1 𝑉3𝑇
Dónde:
V = Velocidad Media (V = 1 𝑇 ∫ 𝑉 𝑑𝑡 𝑇 0 )
𝑉 = Velocidad instantánea
V𝑁 = Velocidad nominal de la máquina
T1 = Tiempo durante el cual la velocidad del viento es superior a la velocidad máxima del viento V𝑀 capaz de ser soportada por la máquina.
T2 = Tiempo durante el cual la velocidad del viento es superior a la velocidad nominal del viento V𝑁 para la que se ha calculado el generador eólico.
T3 = Tiempo durante el cual la velocidad del viento es suficiente para que el generador produzca energía.
El conocimiento del coeficiente Ku permite obtener la energía capaz de ser suministrada en lugares donde solo existen anemómetros totalizadores. Es necesario además que la variación Ku haya sido determinada para la región a partir de registros anemométricos de estaciones próximas sometidas a vientos de similares características.
En general se consideran tres velocidades para obtener el potencial energético de una máquina eólica. La velocidad de conexión Vconex aquella por encima de la cual se genera energía. Por debajo de esta velocidad toda la energía extraída del viento se gastaría en pérdidas y no habría generación de energía.
La velocidad nominal VN descrita anteriormente es la velocidad para la que la máquina eólica alcanza su potencia nominal. También se ha dicho que por encima de esta velocidad la potencia extraída del viento se puede mantener constante. La velocidad de desconexión Vemb es aquella velocidad del viento por encima de la cual la máquina eólica deja de generar, porque se embala, los sistemas de seguridad comienzan actuar frenando la máquina, desconectándose de la red a la que alimenta . En la práctica esto se utiliza cuando se presentan vientos extremadamente fuertes que consideran un peligro para la estructura del sistema.
Generador Eólico o Aerogenerador
Un aerogenerador es una máquina que convierte la energía eólica en energía eléctrica . La energía eólica (energía cinética del aire en movimiento), proporciona energía mecánica a un rotor de la hélice que, a través de un sistema trasmisión mecánico hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica.
Tipología de Aerogeneradores
Los aerogeneradores se han clasificado de diferentes maneras en dependencia de su potencia proporcionada, el número de palas o la interconexión con la distribución
eléctrica (aisladamente o en conexión directa con la red de distribución convencional) pero en su mayor parte se han clasificado:
- Por la posición del aerogenerador
- Por la posición del equipo con respecto al viento
- Por el número de palas
Los generadores de eje horizontal son los más habituales y en ellos se ha centrado el mayor esfuerzo de diseño en los últimos años. Se los denomina también "HAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "horizontal axis wind turbines". Los rotores HAWT son usualmente clasificados de acuerdo a la orientación del rotor (barlovento o sotavento), siendo la barlovento la más utilizada porque se evita el abrigo del viento tras la torre. Existen sin embargo otros diseños como el de eje vertical en donde el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo. Son también llamados "VAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "vertical axis wind turbines". Este tipo de aerogeneradores a pesar de poseer algunas características atractivas, tienen algunos problemas de confiabilidad y nunca fueron capaces de igualar a los aerogeneradores HAWTs en costos de producción de energía. Entre el número de aspas (usualmente dos o tres) se utiliza mayormente el de 3 palas ya que existe un equilibrio entre las velocidades que puede alcanzar con respecto a la potencia, sin tener la desventaja de utilizar un contrapeso como en el diseño de una pala o exigir mayor velocidad de giro para generar la misma cantidad de energía como en el diseño de 2 palas.
Los Aerogeneradores y el Medio Ambiente
Contaminación visual Los aerogeneradores son siempre elementos muy visibles en el paisaje. En todo caso el impacto visual es algo consustancial a esta forma de producir energía. Puede minimizarse en lo posible, por ejemplo pintando las torres de gris, pero nunca evitarse totalmente. En áreas llanas suele ser una buena estrategia disponer las turbinas según una distribución geométrica simple, fácilmente perceptible por el espectador.
Ruido Hay dos fuentes de ruido asociadas al funcionamiento de los aerogeneradores: ruido aerodinámico, causado por las palas pasando a través del aire, y ruidos mecánicos, debidos al funcionamiento de elementos mecánicos en la góndola (el generador, la caja de cambios, etc.). El ruido aerodinámico es función de muchos factores que interactúan, incluido el diseño de las palas, la velocidad de rotación, la velocidad del viento y la turbulencia en el flujo de aire. El ruido aerodinámico es generalmente similar a un “silbido”.
Generalmente a velocidades de 8 m/s y superiores llega a ser una cuestión bastante difusa el discutir las emisiones de sonido de los modernos aerogeneradores, dado que el ruido de fondo enmascarará cualquier ruido de la turbina, al menos este es el punto de vista definido por los fabricantes de equipos eólicos, que en diseños modernos declaran niveles de ruido de 48dB a 200 metros del aerogenerador.
Aves
Las aves pueden chocar con las palas del rotor de la turbina, o quedar atrapados en la turbulencia que hay detrás del rotor. Las investigaciones han mostrado que el riesgo de choque es relativamente pequeño, el número estimado de choques accidentales para una potencia instalada de 1.000 MW es aproximadamente de 21.000 anuales si bien esto puede parecer a primera vista un número bastante grande, cuando lo consideramos anualmente, esta cifra es en realidad muy pequeña en comparación con el número de aves que son víctimas mortales del tráfico de automóviles cada año (2 millones anualmente) o el número de pájaros que perecen cada año debido a las líneas eléctricas (1 millón anualmente) . No obstante, cuando se instalan aerogeneradores, es aconsejable prestar atención a las zonas de cría y forrajeo de las aves.
Alternadores fabricados con imanes permanentes (IP)
Los generadores axiales se llaman así porque consisten en una plancha redonda de imanes permanentes que giran sobre otra plancha plana de bobinas. Los generadores axiales se fabrican haciendo que los imanes estén en el radio de las bobinas, que entonces se asemejan a un motor inducido. Una de las ventajas de las máquinas con imanes permanentes, radica en que se reduce su volumen y peso en comparación con una máquina equivalente con devanado de excitación en el rotor. Las máquinas con imanes permanentes logran altos rendimientos con reducido tamaño. Esto posibilita la aplicación de generadores con flujo axial e imanes permanentes para la producción de energía eléctrica mediante turbinas eólicas . Este tipo de alternadores generan corriente alterna (CA), la que es convertida a corriente directa (CD) por medio de rectificadores insertados entre el alternador y la batería.
Componentes de un aerogenerador con imanes permanentes
Los generadores eólicos con imanes permanentes se utilizan para sistemas de pequeña escala, debido a que producen un voltaje alterno trifásico bajo ideales para cargar baterías y su construcción se realiza de manera artesanal. Los componentes de un aerogenerador con imanes permanentes son: 7.2 Chasis Es la estructura metálica donde estará ensamblado el alternador eólico completo y la veleta. La función principal es sostener el buje, rotor, estator, aspas, y la veleta la base donde estará incrustado en la torre le permitirá pivotear para buscar el viento.
Buje o patente
En el sector de los aerogeneradores el buje (hub en inglés) es el elemento que se encuentra en la parte frontal del aerogenerador. En la patente están conectados el rotor y las aspas. Su principal función es ser el eje rodante movido por la acción del viento ejercido a las aspas.
Rotor
Los rotores son dos discos acero (frontal y posterior) con un diámetro y espesor determinados en el diseño, aquí se colocarán los imanes de neodimio. Los discos se apoyan en el buje de tal manera que los imanes se encaren en polos opuestos. La función principal del rotor es a través del movimiento giratorio generado por las aspas, crear un flujo magnético aprovechable. Los que provocan el flujo magnético son los imanes permanentes. Los imanes permanentes se ubican sobre la superficie de los rotores, de tal forma que el flujo magnético pasa de un rotor a otro a través de las bobinas del estator mientras el eje del rotor gira.
Imanes de Neodimio (NeFeBo) Los imanes de neodimio-hierro-boro (NeFeBo) son de alta potencia energía tiene apariencia metálica. Alcanzan lo máximo en un imán en potencias de hasta 12300 gauss ver Fig 8, han sido magnetizados en su grosor para producir un polo norte en una de las caras y un polo sur en la otra cara. Polos norte y polos sur se atraen, mientras que dos polos norte se repelen, lo mismo que dos polos sur.
Estator Es la conexión de bobinas conectadas en series-paralelo ubicadas al diámetro que forman los imanes. El estator es el elemento estático del alternador. Su principal función es capturar el flujo magnético generado por la fuerza de atracción de los imanes o campo magnético y convertirla a través de sus bobinas en corriente alterna. También es envuelto con resina poliéster y fibra de vidrio, en el centro del estator lleva un eje hueco porque a través del eje hueco pasaran los sostenedores del buje.
Conexión Estrella A los voltajes medidos en dos extremos de las tres puntas libres se les llama tensión o voltaje de línea y al voltaje medido entre una de las tres puntas libres y el punto en común a los tres se le llama voltaje de fase.
El voltaje de línea es mayor que el voltaje de fase. El voltaje de línea es 1.73 veces mayor que el voltaje de fase. 𝑉𝐿 = √3 ∗ 𝑉𝐹 La corriente en cualquier línea es igual a la corriente en cualquier fase del devanado: 𝐼𝐿 = 𝐼𝐹 Por lo tanto, la conexión estrella suministra un aumento de voltaje pero no hay aumento en la corriente.
Conexión Delta
En este tipo de conexión los tres devanados están conectados en serie y forman un circuito cerrado. Las tres puntas que salen de la conexión delta se usan para conectar la salida del generador a la carga. El voltaje existente entre dos de las puntas es llamado voltaje de línea.
El voltaje de línea, es igual al voltaje generado en un devanado, recibe el nombre de voltaje de fase: 𝑉𝐿 = 𝑉𝐹 La corriente de línea es veces mayor que la corriente de fase: 𝐼𝐿 = √3 ∗ 𝐼𝐹 Por lo tanto, la conexión en delta suministra un aumento de corriente pero no un aumento en el voltaje.
Principio de Generación Eléctrica
De manera muy sencilla, alternador eólico son bobinas de alambre de cobre que pasa a través de un campo magnético. Como se muestra en la Fig. 15.
Según la ley de Faraday, la tensión inducida en vacío se expresa: 𝐸𝐴 = √2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑁 ∗ 𝑚 ∗ 𝜑 ∗ 𝑓𝑔𝑒𝑛 Dónde: EA: Tensión inducida. N: Número de vueltas por bobina. m: Número de bobinas. : Flujo que atraviesa una bobina. fgen: Frecuencia de giro del generador. La expresión anterior nos dice que al momento que una o más bobinas atraviesan el campo magnético generado por los imanes de Neodimio (NeFeB), la tensión inducida es directamente proporcional al número de vueltas por bobina, al número de bobinas, a la densidad del flujo del campo magnético, y a la velocidad o frecuencia de giro que la bobinas pasa a través del campo magnético. Entonces, las bobinas del estator están conectadas con la configuración estrella cuando se produce la inducción del campo magnético en las bobinas, el alternador eólico tiene tres voltajes de salidas en desfasados 120º. Este tipo de generador se le llama generador trifásico debido a que tienen tres fases.
Baterías y acumuladores (Ácido Plomo) Es un equipo el cual puede almacenar y suplir a la misma vez energía eléctrica donde sea que se requiera. Durante la operación de carga la energía eléctrica suplida es almacenada en forma química y durante la descarga se lleva a cabo la conversión de energía química a eléctrica mediante el flujo de corriente hacia la carga.
Componentes de una batería
1- Placas Positivas – las cuales actúan como cátodos cuando la batería está en proceso de descarga
2- Placas Negativas – las cuales actúan como ánodos cuando la batería está en proceso de descarga
3- Electrolito Químico – el cual conduce la corriente hacia dentro de la batería mediante la ionización
4- Separador – previene el contacto metálico entre las placas de polaridad opuesta dentro de la celda pero permitiendo al electrolito de desplazarse libremente.
Tipos de celdas de baterías
Dos tipos básicos de baterías están disponibles:
1- Batería de ácido de plomo
2- Baterías Alcalinas
3- Niquel Camio
4- Selladas o de Gel
Entre las características relevantes para este proyecto de las baterías de ácido plomo están:
- Tensión: 1.8V por elemento. En general no se desciende por debajo del 20% de la capacidad de a batería, ya que si se rebasa este valor se producen importantes sulfataciones en las placas negativas. Entonces se produce una pérdida de capacidad, aumento de la resistencia interna y, por tanto, descenso de tensión. Este es un aspecto importante ya que se diseña el sistema de control para evitar que el voltaje de la batería no descienda al nivel en donde pueda dañar la batería
- Corriente de carga: si el fabricante no indica lo contrario, debe ser como máximo, igual a C/10, siendo C la capacidad de la batería de acumuladores.
- Vida útil: 10 a 20 años según la calidad del acumulador.
Carga de batería de tres estados Durante el proceso de carga de tres estados, la tensión y la corriente de la batería oscilan del modo que se indica a continuación.
Cuando la tensión de la batería está por debajo del ajuste FLOAT durante un período acumulado de una hora, se iniciará un nuevo ciclo BULK. Esto es normal que se produzca cada noche. Si la batería está cargada al comienzo del día, recibirá una carga de ABSORCIÓN (ABSORPTION) durante una hora y se mantendrá con el ajuste FLOAT durante el resto del día. Si la tensión de la batería cae por debajo del ajuste FLOAT durante un período acumulado de una hora, se iniciará un nuevo ciclo BULK y ABSORPTION. Este proceso de carga en tres estados facilita una carga más rápida si se compara con el de los reguladores de estado sólido de tensión constante o del tipo relé sí/no. Una recarga más rápida incrementa el rendimiento del sistema almacenando más de la salida limitada de la matriz FV. El ajuste final de tensión FLOAT reduce la gasificación de la batería, disminuye las necesidades de adición de agua y asegura una recarga completa de la batería.
Tipos de Ciclos
Existen tres tipos primarios de ciclos de descarga de las baterías, pequeña, moderada y profunda. Estos términos nos ayudaran para comprender el tipo de ciclo que las baterías requerirán. El ciclo pequeño ocurre cuando solo un pequeño porcentaje del total de la capacidad de la batería es descargado. Los ciclos moderado y profundo es donde las baterías son descargadas a un mayor porcentaje del total de la capacidad de la batería respectivamente
Ciclos de Vida
La vida útil de una batería de ciclo profundo depende de muchos factores: el mantenimiento preventivo, el porcentaje de descarga, temperatura de la batería, cantidad de veces que se descarga, vibración, etc. El DOD significa la cantidad de descarga de una batería de ciclo profundo (en porcentaje). Unos de los factores más importantes DOD por ciclo. Cuando la cantidad de DOD es incrementada por ciclo. Resulta en una reducción del total de ciclos de la batería.
Sistemas de control de aerogeneradores El principal objetivo del sistema de control en un aerogenerador es limitar la generación de potencia y las rpm en condiciones de vientos intensos. A medida que las turbinas evolucionaron, los requerimientos de control aumentaron y los mecanismos ganaron en complejidad por ejemplo en grandes turbinas, los objetivos del sistema de control incluyen: mayor captación de energía dentro de las condiciones y límites previstos, la reducción de cargas mecánicas y estructurales sobre el sistema y la calidad de la potencia generada, para poder cumplir especificaciones estándar de conexión al fluido eléctrico.
Métodos de regulación y control del número de revoluciones
Un dispositivo fundamental en un aerogenerador eólico es el que permite la regulación y control del número de revoluciones, que además sirve de protección de dicha máquina para velocidades superiores a las admisibles bajo el punto de vista estructural.
38 A una determinada velocidad nominal, el rotor gira a las revoluciones precisas para que la turbina proporcione su potencia nominal y a partir de este momento, aunque aumente la velocidad del viento, no interesa que la velocidad de giro aumente, por lo que hay que actuar sobre ella regulando su velocidad. Si la velocidad del viento continuase aumentando, el rotor corre peligro desde el punto de vista estructural debido a las vibraciones, por eso el motor debe frenar
Entre los métodos más utilizados están:
- Regulación por frenos de acción aerodinámica
- Control mediante mecanismos de orientación Uno de los principales problemas que plantean los aerogeneradores de eje horizontal es la necesidad de ser orientados, de forma que el viento incida perpendicularmente al disco de barrido por el rotor, con el fin de obtener la máxima potencia a base de hacer incidir la mayor cantidad posible de masa de aire en movimiento y así obtener la mayor cantidad posible de energía cinética. Entre los métodos mayormente utilizados están:
- Servomotor o motor paso a paso controlado electrónicamente.
- Por cabeceo – El eje del rotor se desalinea con el plano vertical respecto a la dirección de viento incidente. Orientación del rotor utilizando pala o veleta auxiliar La orientación con veleta colocada al extremo del cuerpo del generador ayudan a dirigirlo hacia el viento. Se construyen usualmente con materiales ligeros ejemplo: metal o madera. Cuando el viento incide sobre su superficie la fuerza de empuje presente crea un giro que direcciona al rotor de cara al viento.
Como se observa en la figura entre el eje de giro del generador y el centro de sus aspas existe una distancia s y desde el eje de giro y el centro de gravedad de la veleta existe una distancia m. Para que la orientación sea exitosa se debe cumplir que m=4s. Esta adición a la máquina crea dos ventajas, la primera como se dijo anteriormente direcciona la máquina hacia el viento para aumentar la generación de energía y la segunda es que a medida que la velocidad del viento se incrementa, también se incrementa la fuerza de sustentación que se crea entre la cola y el rotor, cuando esta alcanza una cierta magnitud mueve la cola a una nueva posición. En esta posición el rotor puede desorientarse del viento evitando así daños producidos por revoluciones excesivas de la máquina, sobrecalentamiento en los devanados y desgastes en las partes mecánicas móviles
Análisis y Presentación de Resultados La metodología utilizada fue la base para realizar el análisis y cálculos necesarios para proceder a construir el sistema. Una vez las variables de construcción fueron analizadas con Hugh Piggott los resultados obtenidos de ese análisis se obtuvieron y se presentan a continuación.
Metodología de desarrollo La Metodología usada en este proyecto se basó en el manual de construcción de aerogeneradores artesanales de Hugh Piggot “Cómo construir un generador Eólico – Planos para un generador de flujo axial” para un generador de 1.6 mts y 2 mts de diámetro entre aspas. 2.0Consideraciones básicas de diseño Para determinar las dimensiones del generador eólico artesanal se tomó en consideración primeramente el presupuesto con el que se contaba para el proyecto, siendo este de $500 los cuales fueron donados por la Empresa Sunergia. A partir de este presupuesto se calculó la cantidad de imanes de neodinium que se podían adquirir dejando suficientes recursos para adquirir los demás materiales a utilizar.
Se optó por construir un aerogenerador de 16 imánes la cual es la cantidad mínima de imanes que existe para los generadores propuestos en el manual de Hugh Piggott. Después de determinar la cantidad de imanes se procedió a hacer los cálculos correspondientes de la cantidad de bobinas necesarias, el tamaño del rotor y el tamaño de las aspas. Las fórmulas utilizadas para calcular estas dimensiones y cantidades fueron extraídas del manual de Hugh Piggot y algunos de estos cálculos se realizaron con ayuda de él mismo. Debido a petición explicita de Hugh Piggott las fórmulas utilizadas no se presentan en este documento siendo propiedad intelectual del autor.
Resultados de los cálculos
Número de imanes en total = 16 Diámetro estator = 307mm Número de bobinas = 6 Diámetro del alambre para los embobinados = [(tamaño alambre) *4 / pi] ½ =1.66mm Volt (rms)/rpm = 0.03 V Volt DC/rpm = 0.043 V Corriente en DC = 25 A Eficiencia de generación eléctrica (Potencia de salida deseada versus pérdidas en los devanados y diodos) = 63.1% La velocidad de embalamiento y de arranque son determinadas ecuaciones de Hugh Piggott resultando: Velocidad de embalamiento: a 480 rpm Velocidad Nóminal: 313 rpm Velocidad de viento para arranque: 4 m/s Se construyeron dos juegos de aspas de diámetros distintos para observar el comportamiento que el diámetro del rotor tiene en la obtención de energía a partir del viento.
Estos valores representan los parámetros a seguir en la construcción de las aspas a partir de un bloque de madera donde las estaciones son puntos equidistantes donde el ángulo de calado de la madera cambia y la caída es el ángulo respectivo que hace al aspa tener una forma aerodinámica.
Construcción de aspas o palas
Son tres aspas, capturan al viento y producen energía mecánica que harán giran el alternador a diferentes revoluciones, las dimensiones de las aspas están en dependencia del diámetro del rotor. Su principal función es transformar la energía de la fuerza del viento en energía mecánica. La eficiencia del generador dependen de que tan aerodinámicas sean las aspas, esta actividad es de suma importancia. Para realizar las aspas se recomienda usar madera suave (cedro real
– fácilmente encontrado en Nicaragua). Con el Manual de Hugh Piggott presenta pasos para fabricar aspas aerodinámicas sin necesidad de ser carpintero. El perfil aerodinámico utilizado por Hugh Piggott en su manual para todas las aspas sin importar el tamaño del generador es el perfil NACA 4412 como el mostrado en la figura 19:
El proceso de calar este perfil aerodinámico sobre un bloque de madera es crítico ya que la cualquier error en el ángulo de calaje de cualquiera de las estaciones significaría que pérdidas y/o no aprovechamiento eficiente de la fuerza del viento. Se encontró en la práctica que este proceso además de ser complejo debe ser verificado repetida y minuciosamente para evitar cometer errores de calado excesivo o insuficiente. El primer paso fue crear la forma del aspa realizando marcas equidistantes a 200mm que se denominan estaciones ver figura 20.
En cada una de las estaciones se marcó una anchura correspondiente a la expresada en la tabla se marcó una línea uniendo todos los puntos en cada una de las estaciones a como se observa en la figura 21 y se procedió a remover la madera por debajo de esta línea.
Después de haber cortado la madera de esta manera se procedió al tallado de la cara que encara al viento la cual es angulada. El ángulo de la aspa es mayor junto a la raíz que en el punto. El ángulo debe cambiar debido a que la velocidad de giro es menor conforme se acerca al centro. Se marcaron las caídas de cada una de las estaciones de acuerdo con la tabla 2 quedando la pieza de madera como se muestra en la figura 24:
La “caída” en la estación 1 no es lo suficientemente amplia para proporcionar el ángulo necesario y continuar con el perfil NACA 4412 sobre la superficie del aspa. Dicha cuña crea el ángulo adecuado sin que tengamos que usar una pieza demasiado gruesa. Una vez calada la caída de la parte que encara el viento se procedió a realizar el calado de la parte posterior del aspa según los parámetros de grosor encontrados en la tabla 2. Ambas caras del aspa son planas y paralelas entre sí. Se dibujan las líneas correspondientes al grosor en cada estación y se procedió a calar la superficie ver figura 25.
Estas líneas tuvieron el propósito de guiar el proceso de tallado de la sección para obtener el grosor correcto. A medida que nos acercábamos a las líneas debimos comprobar el grosor de cada estación con un calibrador. Una vez tallados los dos lados del aspa el siguiente paso fue rebajar desde el borde de salida creando una superficie curvada, de esta forma se crea una sección aerodinámica apropiada en cada estación para evitar una elevada resistencia al aire, lo que podría limitar el correcto funcionamiento del aspa a altas velocidades . Para esto se trazaron dos líneas a lo largo de la parte posterior del aspa, a 30% y 50% de la anchura medidas desde el borde de ataque al de salida, ver figura 26.
Terminado el moldeo de las aspas el siguiente procedimiento fue crear un corte de 120º en la terminación de las aspas para unirlas, colocar los discos de unión y atornillarlas a como se muestra en la figura 27.
Buje o patente
En los aerogeneradores pequeños el buje (hub en inglés) es el elemento que se encuentra en la parte frontal del aerogenerador. En la patente están conectados el rotor y las aspas. Su principal función es ser el eje rodante movido por la acción del viento ejercido a las aspas.
Se utilizó una patente de vehículo ya que construir una podría haber llevado mucho tiempo y la patente de vehículo será óptima para el propósito que desempeña el buje en el generador.
Construcción del soporte del generador Una de las primeras partes que se construyeron fue el chasis o soporte del generador, el cual está compuesto por hierro, metal y acero. El soporte consiste de un tubo de 2” de diámetro con una chapa de 1/8” y una longitud de 46cm (tubo pivotante), esto es la parte central del generador eólico y también es el pivote de orientación y está encajado en la torre donde se instala. Además de esto, angulares con dimensiones 6cm x 6cm x 0.5cm unidos entre sí, tienen la tarea de sostener el buje y al estator. Junto al tubo pivotante se soldaron angulares. El soporte del buje o patente vehicular son dos piezas de angulares de acero de 6cm x 6cm x 0.5cm y tienen una longitud de 25cm cada una, formando un canal donde se atornilló la patente vehicular. Estas dos piezas de angulares deben tener una inclinación de 4º grados con respecto al tubo pivotante para incrementar la distancia entre la torre y las puntas de las aspas. El soporte del estator se utilizó angulares más cortos pero con las mismas dimensiones 6cm x 6cm x 0.5cm. Dos piezas de 5cm de longitud que se soldaran en el tubo pivotante y una pieza de 35cm de longitud que se soldara al final del canal de angulares. Por último, se soldó al tubo pivotante en posición diagonal una bisagra, es un tubo de ½” de 20cm de longitud. El ángulo entre el tubo de ½” (bisagra) y plano del rotor es de 35 grados. La inclinación de la bisagra es de 20 grados con respecto al tubo pivotante. Esto sirve como el soporte de la veleta.
Comparación entre el diseño Hugh Piggot y el implementado se pueden apreciar en la figura 29.
Para realizar esta actividad se solicitó permiso de las autoridades universitarias para el uso del taller de mecánica del RUPAP. Se procedió a cortar los trozos de angulares, una vez terminado se procedió a realizar agujeros en los extremos donde se sujeta el alternador en el torno del taller de mecánica, para con esto realizar el trabajo de soldadura para unir todas estas piezas metálicas. De esta manera obtuvimos el soporte del generador.
Construcción del rotor El rotor consiste en dos discos acero con un diámetro 275mm y de grosor 7.8mm, los cuales están colocados los imanes de neodimio, para aislar los imanes de la intemperie se envuelven en resina poliéster. Los discos se montan en el buje de tal manera que los imanes se encaren en polos opuestos. La función principal del rotor es a través del movimiento generado por las aspas, crear un flujo magnético aprovechable. Estos discos de acero fueron comprados en una recicladora de hierro local. La figura 31 muestra un corte transversal del rotor donde se puede apreciar como los discos se encuentran instalados.
Para lograr construir el rotor se utilizaron 16 imanes de Neodimio, 8 imanes en cada disco de acero separados a 33 grados de esta forma estarán repartidos de manera equitativa y simétrica. Las dimensiones de los imanes de Neodimio son 2”x1”x0.5”, estos imanes de Neodimio fueron importados desde EEUU. Esta actividad se realizó en el taller de Mecánica del RUPAP, solamente se realizaron los huecos donde estarán fijos a la patente. Se requirió del torno y el taladro industrial.
Se utilizaron imanes de neodimio debido a que estos presentan un mayor flujo magnético que se traduce en mayor energía aprovechada por cada revolución de las aspas. Se pueden utilizar imanes de ferrita de bario los cuales son más comunes y baratos. Debido a la gran fuerza magnética de los imanes de neodimio se recomienda que sean tratados con cuidado ya que se observó que si existe otro imán en la cercanía u algún material metálico estos se verán atraídos a él con mucha fuerza pudiendo lesionar al que los manipule. También se tomaron las precauciones de no acercar dispositivos magnéticos y electrónicos como cintas, celulares, tarjetas de crédito etc. Los cuales también pueden ser afectados por el flujo magnético. Cada imán tiene un polo norte y un polo sur. Los polos están alternados, es decir, el polo norte encarta al estator en un imán y el polo sur lo hace en el siguiente. Los polos en el otro rotor están dispuestos en polaridades opuestas de modo que polos norte y sur están encarados a través del estator, creando el flujo magnético. La actividad de conectar los imanes de Neodimio al rotor se llevó a cabo en el Laboratorio de Circuitos Eléctricos del recinto RUSB-UNI.
Moldes
El rotor está conformado por dos discos de acero lo cuales también fueron extraídos de materiales reciclado los que tienen una medida de 26cm de diámetro y 1.2cm de grosor (cabe destacar de que las medidas de estos va depender de la cantidad de imanes que se deseen utilizar), estos discos de acero se montaron a la patente vehicular.
Para realizar el aislamiento con la resina se requirió de moldes para dar forma a ésta, para esto se utilizaron moldes de madera (Plywood). Estos moldes de madera fueron utilizados para el rotor y el estator respectivamente. En el rotor aparte de su aislamiento también se usó un molde para ubicar los imanes a distancias simétricas de tal manera que ambas caras encuentren su polo opuesto. El material que se utilizó fueron láminas de Plywood ver dimensiones en tabla 5 fue comprado en una ferretería ubicada en el Mercado Oriental:
Las medidas que se tomaron fueron del disco de acero (Rotor), después se procedió a realizar una pieza de Plywood circular con un diámetro de 280 mm y 2 moldes cuadrados de 300mm x 300 mm que se utilizaron. 1 molde de base y 1 molde superior que tendrá un área circular libre de las medidas del disco de acero del rotor (28mm de diámetro), ambos moldes de base y superior se juntaron con el fin de crear un solo molde de Plywood para el aislamiento del rotor con resina liquida
Esta actividad fue realizada en el laboratorio de Circuitos Eléctricos y se tomaron medidas del rotor para su aislamiento y medidas de los imanes de Neodimio, también se realizaron medidas del estator. Se utilizó un serrucho eléctrico y un taladro eléctrico.
Construcción de estator
Es la conexión de bobinas conectadas en series-paralelo ubicadas al diámetro que forman los imanes. El estator es el elemento estático del alternador. Su principal función es capturar el flujo magnético generado por la fuerza de atracción de los imanes y convertirla a través de sus bobinas en corriente alterna. Se utilizaron 6 libras de alambre de cobre esmaltado descubierto No. 14 AWG, fue comprado en una tienda local SELSA. Para lograr realizar las bobinas se construyó un bobinador artesanal que fue diseñado por el Ing. Oscar Danilo Perez. Este bobinador está conformado por una base metálica con 2 tubos de ½” soldados a la base, cada tubo tiene en su punta una balinera de bicicleta por la cual pasa una maneral que sirve para realizar movimientos giratorios, y en el extremo derecho se instalaron 2 moldes madera en forma de H para sostener el alambre de cobre embobinado (figura 36) con el propósito de crear así 6 bobinas con 75 vueltas cada una.
Esta actividad fue ejecutada en el laboratorio de Circuitos Eléctricos, solamente se utilizó el bobinador artesanal con una corta-cable.
Las conexiones de las bobinas son en serie/estrellas agrupando 2 bobinas por fase. Las conexiones de las bobinas por fases quedaron conformadas de la siguiente manera:
La fase 1 - La bobina 1 con la bobina 4
La fase 2 - La bobina 2 con la bobina 5
La fase 3 - La bobina 3, con la bobina 6
En la figura 38 se puede apreciar el diagrama real de las bobinas conectadas y el diagrama de circuito.
Preparación de la resina poliéster
Una vez colocado los imanes de Neodimio en los discos de aceros, fabricadas las bobinas y los moldes de madera, se procedió a realizar el aislamiento del rotor y fabricación del estator con resina verde poliéster. Este proceso es muy delicado y riesgoso debido a los disolventes y químicos que se utilizan. Aislamiento del Rotor: Ambos discos de acero con sus respectivos imanes deberán ser aislados y pegados con resina, para evitar los imanes salgan del disco de aceros cuando estos mismos (discos de aceros) estén frente a frente en polos opuestos. Lo primero es aplicar capa de cera en todo el molde para que la resina no quede pegada al molde y luego silicón en los bordes para evitar filtración de la resina.
Se colocaron trozos de tejidos de fibra de vidrio, para luego mezclarse 200 gramos de resina con 3cc de catalizador (activador), se mezcló de tal manera que no pudiesen quedar burbujas en su interior. La resina mezclada se extendió sobre la base del molde, aplicándola más resina por encima. Para ahorrar resina se utilizó talco para hacer más espesa la resina.
Con la ayuda de una brocha se dan los retoques y detalles, ya que la resina se fragua en pocos minutos. Luego se deja en una superficie nivelada para evitar que la resina se deforme y se deja cubierto para protección de las mismas.
Fabricación del estator Se llevó a cabo el mismo proceso realizado en el aislamiento del rotor. Se aplicaron capas de cera y silicón a los bordes para evitar que la resina se adhiriera a los moldes del estator y también filtración de resina.
Se colocaron trozos de fibra de vidrio, luego se mezclaron 400 gramos de resina con 6cc de catalizador (activador), se mezcló de tal manera que no quedaron burbujas en su interior. La resina mezclada se extiende sobre la base del molde, aplicándola más resina por encima. Para ahorrar resina se utiliza talco para hacer más espesa la resina.
Las bobinas tienen que estar colocadas en referencia a la posiciones de los imanes, y los tres hilos o fases deberán permanecer fuera del molde de resina, debido que los tres hilos o fases serán el resultado de inducción eléctrica que pasara a través de la bobinas.
Se observó que el trabajo con resina requiere de un lugar ventilado ya que la resina y sus disolventes emanan olores tóxicos y fuertes. Usar guantes y máscaras de protección personal de estos químicos.
Construcción de la veleta
La veleta o cola del generador tiene como principal función regular la potencia de viento entrante al generador, cuando la potencia del viento alcance cierto nivel máximo, la veleta desorientara al generador de la potencia máxima del viento con el objetivo de evitar que el alternador se queme al girar a máximas RPM.
El diseñó de aerogenerador de Hugh Piggot utilizado en este proyecto tiene su centro desplazado de modo que el empuje del viento (centrado en el alternador) siempre trata de volver a la máquina lateralmente. Si la hélice no se encuentra totalmente perpendicular a la dirección del viento (está ligeramente desplazada) se reducirá la cantidad de energía que la máquina puede capturar. El alternador se desplaza de manera que el empuje del viento actúa a un radio de 125mm desde el centro del pivote de desorientación, sobre el que la máquina pivota para encarar al viento. Esto significa que el empuje crea un momento de desorientación y oscilación sobre el eje del pivote. El empuje del viento tratará siempre de volver la hélice lateralmente. A velocidades de viento operativas, la fuerza del viento sobre la cola contrarresta el momento de desorientación. Cuando la máquina intenta girar, la cola oscila hasta una posición en la que se produce una fuerza de sustentación. Dicha fuerza crea un momento de restauración que iguala el momento de desorientación y hace que la máquina se equilibre.
Para fabricar la veleta o cola de desorientación se fabricó una bisagra en el soporte del generador.
La fabricación de la veleta constó de un tubo 1 ½” a su extremo final que está soldado con dos laminas metálicas para colocar la paleta de la veleta.
Esta actividad se ejecutó en casa solamente se requirió de varillas de soldar y un máquina para soldar.
Construcción de la torre
La estructura donde ira fijado el generador eólico es una mini torre para realizar pruebas de campo.
La torre no pretende ser el montaje final del generador, esta solamente se construyó para hacer las pruebas correspondientes a una altura adecuada para manipular los cables y el rotor. Según Hugh Piggott se debe montar el generador a una altura de 20 metros sobre una estructura diseñada para soportar el peso del generador y los vientos que inciden sobre ella.
Pruebas de Campo
Las pruebas se realizaron en el departamento. Se eligió este lugar debido a su cercanía con Managua, su ubicación sin obstáculos, la fuerza y la constancia de sus vientos.
Para las mediciones se utilizaron dos multímetros, uno para medir el voltaje en circuito cerrado y otro para medir la corriente, además de un anemómetro de hélice para medir la velocidad del viento. Una batería de 12 voltios de automóvil estándar también fue utilizada en las pruebas.
El aerogenerador fue anclado a tierra para prevenir la caída del mismo, se hicieron las conexiones correspondientes y con las mediciones de voltaje y corriente, se calculó la potencia entregada por el generador. Se puede apreciar cada una de estas mediciones en el gráfico a continuación.
Se puede apreciar que a medida que la velocidad del viento aumenta la potencia entregada por el generador aumenta proporcionalmente.
Según los datos de medición del viento y utilizando la fórmula para obtener la eficiencia del generador se obtuvo los resultados de la figura anterior donde se puede observar que a medida que la velocidad del viento alcanza cierto valor, el rendimiento del generador disminuye conforme a los establecido teóricamente en la ley de Betz.
CONCLUSIONES
Mediante la construcción exitosa de un aerogenerador funcional y su documentación se estableció un precedente para el desarrollo posterior de otros proyectos de innovación e investigación en sistemas eólicos en la Universidad de Ingeniería. Se logró documentar e ilustrar los pasos seguidos por los autores en la construcción del sistema eólico. Se comprobó mediante pruebas de campo con aspas 1.62 metros y 2 metros de diámetro se obtiene una mejora en la capacidad del sistema de generar energía eléctrica. Gracias a las elecciones de materiales reciclados se logró reducir costos de fabricación en los componentes de metal del sistema. El involucramiento de los estudiantes de la carrera de ingeniería electrónica en la construcción de los componentes, el ensamblaje y las pruebas dio como resultado un satisfactorio traspaso de conocimientos y la participación de estos alumnos diferentes ferias tecnológicas concientizó al público en general acerca de la viabilidad y utilidad de los pequeños sistemas eólicos. Se comprobó que mediante la utilización de materiales locales que la construcción del sistema es viable con los materiales elegidos y la mano de obra disponible. Los resultados de las pruebas de campo a las que se sometieron el aerogenerador, tanto con aspas de 1.62 mts y 2 mts demostró que el sistema es funcional y consistente con la generación eléctrica prevista y también se demostraron las bases teóricas.
RECOMENDACIONES
La inclusión de un mayor número de estudiantes a talleres de construcción de aerogeneradores permitiría una mayor transferencia de conocimientos a la comunidad estudiantes y permitiría incentivar otros proyectos relacionados con electrificación rural en comunidades aisladas, bombeo de agua, entre otros. Un curso de fabricación de generadores en la Universidad de Ingeniería permitiría un traspaso de conocimiento centralizado y formal, permitiendo que personas externas a la universidad puedan capacitarse. Otras recomendaciones con respecto a la construcción del generador: - La construcción de una torre elevada permitiría al sistema alcanzar vientos de mayor velocidad cuando se utilice en terrenos de baja altura, esta torre podría ser construida de materiales autóctonos de la zona. - La introducción de un sistema inversor ayudaría a introducir la energía almacenada en las baterías hacia el sistema eléctrico residencial. - Un sistema de control electrónico sería ventajoso para controlar la carga de las baterías conforme a la generación y la demanda eléctrica de las cargas conectadas, de esta manera protegiendo los bancos de baterías aumentando su vida útil y protegiendo al generador de la sobre-generación y permitiendo el freno automático en caso de vientos excesivos que pudieran dañar la estructura o el sistema.
La fabricación del aerogenerador podría realizarse en talleres ya constituidos con herramientas dedicadas a diferentes tipos de trabajos, dentro los cuales están: metalmecánica, carpintería, electricidad, trabajos con químicos.
Tipos de Aerogenerador
