AEROGENERADOR EÓLICO TRIPALA -...

Aerogenerador eólico tripala

Julio Lucas Warthon Ascarza Juan José Zuñiga Negrón

Jesús Rubio CáceresRubén Inglés Atauchi

AEROGENERADOR EÓLICO TRIPALA

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Julio Lucas Warthon AscarzaJuan José Zuñiga NegrónJesús Rubio CáceresRubén Inglés Atauchi

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0562

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

X Simposio Peruano de Energía Solar

AEROGENERADOR EOLICO TRIPALA (2 - 2.1)

Mg. Julio Lucas Warthon Ascarza, Est. Juan José Zuñiga Negrón, Est. Jesús Rubio Cáceres,

Est. Rubén Inglés Atauchi

C.C.PP. FISICA UNSAAC Cusco Perú

U N S A A C

INTRODUCCIÓN

La crisis energética vivida en la década del 70 conllevo a estudios sobre las reservas energéticas de los distintos países para planear su explotación futura y crear conciencia de la necesidad de disminuir el consumo dentro de los límites compatibles con el desarrollo de las naciones. La disponibilidad de energía es indispensable para la sociedad moderna; sin embargo, la atención pública prestada a todos aquellos procesos que tienen que ver con la conversión, puesta en servicio y el uso racional de la energía generalmente es mínima, con la notoria excepción de las crisis energéticas. Los recursos energéticos convencionales como son los de origen fósil se están agotando, como es el caso del petróleo que durará aproximadamente 50 años, el gas probablemente dure 80 años y el carbón unos 120 años, esta situación ha conllevado a una reflexión de políticos, científicos, técnicos y de algunos sectores de la sociedad, lo cual ha dado lugar a un nuevo paradigma ecológico que involucra las energías renovables. Los países desarrollados tecnológica y económicamente vienen realizando investigaciones y a la vez aplicando los avances de las energías renovables a sus problemas energéticos y de contaminación ambiental, es así que desde la década de los 70 se vienen implementando centrales solares (SFV), termosolares, parques eólicos, etc., que viene dando energía a grandes ciudades y poblados rurales.


ELECTRIFICACION RURAL

El objetivo principal de nuestro trabajo es la de contribuir a electrificar las zonas rurales de nuestra región, puesto que la falta de energía eléctrica es causa de muchos problemas sociales y del subdesarrollo, puesto que la energía es un indicador del progreso de una sociedad. Del total de la población, aproximadamente un 35 % no tiene acceso a la energía eléctrica, el sector rural y las comunidades selváticas que no tienen electrificación hacen un 25 % de la población total. Pensamos que la universidad, los institutos y empresas privadas tienen el gran reto histórico de transferir los conocimientos científicos y tecnológicos de las energías renovables a las zonas rurales para la solución de la falta de energía.

AEROGENERADOR EOLI

Un aerogenerador eólico es un sistema que transforma la energía del viento en energía eléctrica, a través del tiempo se ha ido perfeccionando hasta la actualidad, desde los molinos de viento hasta los grandes aerogeneradores de gran potencia. En el año 2000 comenzamos ha construir aerogeneradores a nivel experimental, el primero fue de 2 metros de diámetro y actualmente se tiene un aerogenerador de 3 metros de diámetro y que nominalmente puede alcanzar hasta ½ Hp de potencia, con una base de 4.4 m de altura. COMPONENTES DE LA BARQUILLA DEL AEROGENERADOR - Rotor - Grupo de impulsión - Engranaje - Generador - Sistema de orientación - Torre

Rotor

Grupo de

Alternad

COMPONENTES DE LA BARQUILLA DEL

AEROGENERADOR

CO TRIPALA

Engran

Sistema de

Torre


INFLUENCIA DE OBSTÁCULOS

Velocidad del viento

d

A


EXRACCION DE LA ENERGIA DEL VIENTO

ENERGIA CINETICA

E mc =12

2v

m : masa del viento v : velocidad del viento POTENCIA DELVIENTO

P A=12

3 ρ v

ina te

Para una densidad y área constante, la potencia depende del cubo de la velocidad del viento. POTENCIA MECANICA La turbina de viento solo extrae una parte de la potencia del viento, a la cual se le denomina potencia mecánica. P C Pmec p viento=

Cp se denom coeficien de potencia.

P C A vmec p= FHG

IKJ 1

2 ρ 3

COEFICIENTE DE POTENCIA (EFICIENCIA AERODINAMICA) Mide la relación entre la potencia que el viento puede desarrollar y la potencia desarrollada por la turbina de viento.

C PPP

mec

viento

=

Su valor se encuentra entre 0 y 0.5. VALORES TIPICOS Turbinas de sustentación: 0.1 - 0.5 Turbinas de arrastre : 0.03 -0.15 POTENCIA ELECTRICA Parte de la potencia mecánica se convierte en potencia eléctrica, típicamente se convierte el 90 % de la energía mecánica en energía eléctrica. PERDIDAS Las perdidas se producen en el sistema de transmisión mecánica y en el generador (alternador) y los cuales se pueden medir a través de los siguientes coeficientes: ηm: eficiencia mecánica ηe : eficiencia eléctrica La potencia eléctrica es: P Pelec e mec= η ηm

PERTIDAS DE POTENCIA

Generador Transmisión mecánica

Potencia eléctrica

Pérdida aerodinámica

Pérdida mecánica

Pérdida eléctrica

Potencia en el viento


ANALISIS DE LA POTENCIA EN EL CUSCO

La potencia del viento a la presión dinámica en la

sección de captación del aerogenerador eólico es:

P Av = 0 5 3. ρ v

v3

La densidad del aire en el Cusco es:

ρ = 0 83 3, /kg m

El área de captación de viento debido a las

hélices es:

A = r2π

El radio de las hélices es 1.5 m, de aquí se

tiene:

A m= = (1.5) 2π 7 1 2.

Luego:

P vv = 05 083 71 3. ( . )( . )

P vv = 2.95 3

Luego podemos determinar la potencia mecánica:

Pm = C Pp v

Haciendo Cp = 0.35 para una velocidad promedio

de 4 m/s

P v vm = = = C 0.35 (2.95 ) p ( . ) .2 95 1033 3

P vm ≅ 3

La potencia eléctrica se determina asumiendo que

las pérdidas por transmisión mecánica y

por conversión en energía eléctrica es

ηmηe=0.9, es decir 90 % de la potencia

mecánica es convertida en potencia

eléctrica, luego:

P ve = 0 9 3.

Se midió la velocidad del viento con un anemómetro digital, a intervalos de un segundo aproximadamente; una de la pruebas se muestra en la siguiente tabla, y las respectivas potencias.

v (m/s) 3.80 3.20 3.50 3.50 4.00 3.20 1.00 1.50 1.00 2.00 2.00 1.50 2.00 4.00 4.50 4.80 2.00 4.00 5.00 4.00 4.50 4.50

TABLA DE VELOCIDADES Y

Pv (W) Pm (W) Pe (W) 161.87 54.87 49.38 96.67 32.77 29.49

126.48 42.88 38.59 126.48 42.88 38.59 188.80 64.00 57.60 96.67 32.77 29.49 2.95 1.00 0.90 9.96 3.38 3.04 2.95 1.00 0.90

23.60 8.00 7.20 23.60 8.00 7.20 9.96 3.38 3.04

23.60 8.00 7.20 188.80 64.00 57.60 268.82 91.13 82.01 326.25 110.59 99.53 23.60 8.00 7.20

188.80 64.00 57.60 368.75 125.00 112.50 188.80 64.00 57.60 268.82 91.13 82.01 268.82 91.13 82.01


0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Tiempo (s)

v(m

/s)

C U R V A D E P O T E N C I A : P v , P m y P e

P m = v3

P e = 0.9 v3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5

V e l o c i d a d ( m / s )

P o

t e n

c i

a

( W )

6

Pv Pm Pe


RACTERISTICAS VALORES DE

UNA UNIDAD Diámetro 3 m Altura 4 m Potencia de salida ½ HP Generador eléctrico

½ HP

Acumulador (batería de carro)

12 V

Número de fluorescentes de 40 W

9

Número de focos ahorradores de 23 W

16

Costo S/ 2000.00

GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA - Iluminación ambiental - Funcionamiento de equipos eléctricos domiciliarios - Funcionamiento de máquinas industriales ENERGIA MECANICA - Bombeo de agua para consumo humano e irrigación - Molinos de granos A continuación se muestran las fotos de los aerogeneradores bipala y tripala.

AEROGENERADOR EOLICO TRIPALA

Mg. julio Lucas Warthon AscarzaEst. Juan José Zuñiga Negrón

Est. Jesús Rubio CáceresEst. Rubén Inglés Atauchi

CC. PP. FISICA UNSAACCusco 21 de noviembre 2003

Perú

La crisis energética vivida en la década del 70 conllevo a estudios sobre las reservas energéticas de los distintos países para planear su explotación futura y crear conciencia de la necesidad de disminuir el consumo dentro de los límites compatibles con el desarrollo de las naciones.

Los recursos energéticos convencionales como son los de origen fósil se están agotando, como es el caso del petróleo que durará 50 años aproximadamente, el gas probablemente dure 80 años y el carbón unos 120 años, esta situación ha conllevado a una reflexión de políticos, científicos, técnicos y de algunos sectores de la sociedad, lo cual ha dado lugar a un nuevo paradigma ecológico que involucra las energías renovables

Los países desarrollados tecnológica y económicamente vienen realizando investigaciones y a la vez aplicando los avances de las energías renovables a sus problemas energéticos y de contaminación ambiental, es asíque desde la década de los 70 se vienen implementando centrales solares, termosolares, parques eólicos, etc., que viene dando energía a grandes ciudades y poblados rurales.

ELECTRIFICACION RURAL

El objetivo principal de nuestro trabajo es la de contribuir a electrificar las zonas rurales de nuestra región, puesto que la falta de energía eléctrica es causa de muchos problemas sociales y del subdesarrollo, puesto que la energía es un indicador del progreso de una sociedad.

Pensamos que la universidad, los institutos y empresas privadas tienen el gran reto histórico de transferir los conocimientos científicos y tecnológicos de las energías renovables a las zonas rurales para la solución de la falta de energía.

AEROGENERADOR EOLICO TRIPALA

Un aerogenerador eólico es un sistema que transforma la energía del viento en energía eléctrica, a través del tiempo se ha ido perfeccionando hasta la actualidad, desde los molinos de viento hasta los grandes aerogeneradores de gran potencia.

En el año 2000 comenzamos ha construir aerogeneradores a nivel experimental, el primero fue de 2 metros de diámetro (bipala) y actualmente se tiene un aerogenerador de 3 metros de diámetro y que nominalmente puede alcanzar hasta ½Hp de potencia, con una base de 4.4 m de altura.

COMPONENTES DEL AEROGENERADOR

- Rotor- Grupo de impulsión- Engranaje- Generador- Sistema de orientación- Torre

Grupo de impulsión

Rotor

Torre

Engranaje

Alternador Sistema de orientación

A

d

Velocidad del viento

EXRACCION DE LA ENERGIA DEL VIENTO

ENERGIA CINETICA

m : masa del vientov : velocidad del viento

E m vc =12

2

POTENCIA DELVIENTO

Para una densidad y área constante, la potencia depende del cubo de la velocidad del viento

P A v=12

3 ρ

POTENCIA MECANICALa turbina de viento solo extrae una parte de la potencia del viento, a la cual se le denomina potencia mecánica.

P CPmec p viento=

COEFICIENTE DE POTENCIA (EFICIENCIA AERODINAMICA)

Mide la relación entre la potencia que el viento puede desarrollar y la potencia desarrollada por la turbina de viento.

Su valor se encuentra entre 0 y 0.5.

C PPP

m e c

v i e n t o

=

VALORES TIPICOS

Turbinas de sustentación: 0.1 - 0.5Turbinas de arrastre : 0.03 -0.15

POTENCIA ELECTRICA

Parte de la potencia mecánica se convierte en potencia eléctrica, típicamente se convierte el 90 % de la energía mecánica en energía eléctrica.

PERDIDASLas perdidas se producen en el sistema de transmisión mecánica y en el generador (alternador) y los cuales se pueden medir a través de los siguientes coeficientes:

ηm: eficiencia mecánicaηe : eficiencia eléctrica

La potencia eléctrica es:

P Pelec e mec= η ηm

PERTIDAS DE POTENCIA

Transmisión mecánica

Generador

Pérdida aerodinámica

Pérdidamecánica

Pérdida eléctrica

Potenciaen elviento Potencia

eléctrica

ANALISIS DE LA POTENCIA EN EL CUSCO

La potencia del viento a la presión dinámica en la sección de captación del aerogenerador eólico es:

P A vv = 0 5 3. ρ

La densidad del aire en el Cusco es:

El área de captación de viento debido a las hélices es:

El radio de las hélices es 1.5 m, de aquí se tiene:

ρ = 0 83 3, /kg m

A = r2π

A m= = (1.5) 2π 71 2.

Luego:

P vv =05 083 71 3. ( . )( . )

P vv = 2.95 3

Luego podemos determinar la potencia mecánica:

Haciendo Cp = 0.35 para una velocidad promedio de 4 m/s

Pm = C Pp v

P v v vm= = = C 0.35 (2.95 ) p ( . ) .295 1033 3 3

P vm ≅ 3

La potencia eléctrica se determina asumiendo que las pérdidas por transmisión mecánica y por conversión en energía eléctrica es ηmηe=0.9, es decir 90 % de la potencia mecánica es convertida en potencia eléctrica, luego:

P ve = 0 9 3.

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Tiempo (s)

v(m

/s)

C U R V A D E P O T E N C I A : P v , P m y P e

P m = v3

P e = 0.9 v3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

V e l o c i d a d ( m / s )

P o

t e n

c i

a

( W )

Pv Pm Pe

CARACTERISTICAS VALORES DE UNA UNIDAD

Diámetro 3 m

Altura 4 m

Potencia de salida ½ HP

Generador eléctrico

½ HP

Acumulador (batería de carro) 12 V

Número de fluorescentes de 40 W 9

Número de focos ahorradores de 23 W 16

Costo S/ 2000.00

GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA- Iluminación ambiental- Funcionamiento de equipos eléctricos domiciliarios- Funcionamiento de máquinas industriales

ENERGIA MECANICA- Bombeo de agua para consumo humano e irrigación- Molinos de granos.

X Simposio Peruano de Energía Solar Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para

la Descontaminación y Desinfección de Agua Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003

Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo

Cusco, 26 - 27 de abril de 2004

Ministerio de Industria y Turismo

Municipalidad Provincial del Cusco

Ministerio de Energía y Minas

Asociación Peruana de Energía Solar

(APES)

Universidad Nacional San Antonio Abad del

Cusco

Editado por: Manfred Horn

Juan Rodriguez

Patricia Vega

Auspician Salir

Universidad Nacional de Ingeniería

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