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RESUMEN

Actualmente las turbinas elicas de eje vertical (VAWT por sus siglas en ingls) no son la solucin preferida para proyectos energticos a gran escala, sino que las turbinas de eje horizontal (HAWT) son las utilizadas para este propsito. La explicacin a esto, en pocas palabras, es que las VAWT tienen una menor eficiencia con respecto a las HAWT. Esto implica que las VAWT capturan menos energa por rea barrida y en consecuencia el tamao del rotor y de la estructura de soporte de las VAWT tiende a ser mayor que de las HAWT, lo que se traduce en un costo mayor. Sin embargo, las VAWT contrarrestan en parte esta negativas por que necesitan menos equipos especializados para su montaje, tienen menores costos de mantenimiento, son de fcil construccin y por el hecho de que pueden funcionar con torques ms bajos. Por estas ventajas es que las VAWTs se presentan como una alternativa a considerar para proyectos elicos domsticos y a bajas alturas.

El objetivo general de este proyecto es analizar a viabilidad de implementacin de una turbina elica para sector consumidor en la regin. Para esto se tendr que desglosar en diferentes sub objetivos: analizar el viento disponible en zonas geogrficas de inters, elegir un tipo de VAWT segn los requerimientos especficos, seleccionar los parmetros de diseo de la turbina, analizar los costos asociados y entregar consideraciones para la implementacin. La turbina seleccionada tiene que tener como caractersticas principales ser de fcil fabricacin y rendimiento aceptable, lo que implica bajos costo total y una recuperacin de la inversin en un plazo no muy largo.

La metodologa de trabajo empleada es un anlisis y desarrollo terico basndose en publicaciones, artculos de internet y literatura. Como hay muchos apartados en la investigacin se intenta abarcar cada objetivo de manera concisa pero no demasiado detallada. De los resultados obtenidos se ve que la turbina debe ir emplazada a mnimo 5.5 metros de altura en zonas interurbanas y sobre 26 metros de altura en zonas urbanas. Adems el tamao de 1.8x1.5 metros parece razonable para generar los 220W promedio que debe lograr para disminuir un 50% de la cuenta de energa elctrica. El costo de venta y el tiempo de recuperacin de la inversin la convierten en una opcin muy atractiva. Sin embargo, el usuario final que no tenga conocimientos puede pensar que este tiempo es excesivo. Adems, el reducido espacio geogrfico donde puede ser emplazada la turbina amenazan an ms la viabilidad del proyecto.

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NDICE DE CONTENIDO

CAPTULO 1 ................................................................................................................................... 1 Introduccin .................................................................................................................................. 1

1.1 Introduccin ...................................................................................................................................... 1 CAPTULO 2 ................................................................................................................................... 2 Evaluacin de viento disponible ............................................................................................ 2

2.1 rea geogrfica a considerar ......................................................................................................... 2 2.2 Evaluacin del viento en las zonas de inters. ............................................................................ 4 2.2.1 Zona urbana ................................................................................................................................................ 5 2.2.2 Zonas interurbanas ................................................................................................................................. 8

CAPTULO 3 ................................................................................................................................ 11 Tipos de VAWT .......................................................................................................................... 11

3.1 Tipos de VAWT .............................................................................................................................. 11 3.1.1 Savonius .................................................................................................................................................... 11 3.1.2 Darrieus ..................................................................................................................................................... 11 3.1.3 Giromill (o H-Rotor) ............................................................................................................................ 11 CAPTULO 4 ................................................................................................................................ 14 Criterios de seleccin .............................................................................................................. 14

4.1 Primera fase de seleccin .............................................................................................................. 14 4.1.1 Material requerido ................................................................................................................................ 14 4.1.2 Fabricacin ............................................................................................................................................... 15 4.1.3 Coeficiente de Potencia ....................................................................................................................... 15 4.2 Segunda fase de seleccin ............................................................................................................. 16

CAPTULO 5 ................................................................................................................................ 17 Parmetros de diseo ............................................................................................................. 17

5.1 Potencia requerida ......................................................................................................................... 17 5.2 Dimetro y altura de la turbina .................................................................................................. 18 5.3 labes ................................................................................................................................................ 18 5.3.1 Nmero de labes ................................................................................................................................. 18 5.3.2 Tipo de perfil aerodinmico ............................................................................................................. 19 5.3.3 ngulo de calado ................................................................................................................................... 20 5.3.4 Longitud de cuerda del labe ........................................................................................................... 20

CAPTULO 6 ................................................................................................................................ 21 Propuestas adicionales ........................................................................................................... 21

6.1 Levitacin magntica ..................................................................................................................... 21 6.2 Combinacin con Savonius .......................................................................................................... 21

CAPTULO 7 ................................................................................................................................ 23 Consideraciones para la implementacin y costos ....................................................... 23

7.1 Consideraciones .............................................................................................................................. 23 7.1.1 Fabricacin ............................................................................................................................................... 23

iii 7.1.2 Altura de implementacin ................................................................................................................. 23 7.1.3 Construccin ............................................................................................................................................ 23

7.2 Costos ................................................................................................................................................ 23 CAPTULO 8 ................................................................................................................................ 25 Conclusiones y discusiones ................................................................................................... 25

8.1 Conclusiones .................................................................................................................................... 25 8.2 Discusiones ....................................................................................................................................... 25

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFA ........................................................................................... 26

iv NOMENCLATURA

A : rea barrida por la turbina ! : Coeficiente de potencia !"#$ : Costo de la turbina y su equipo al consumidor !"#$ : Costo de produccin de la turbina y su equipo !!!""!: Costo que se ahorra de energa electrica C : Longitud de cuerda del labe D : Dimetro de la turbina !"# : Energa consumida al mes H : Altura de la turbina N!"#$ : Potencia elctrica promedio del un hogar N!"! : Potencia elctrica que entrega la turbina N!"# : Potencia de la turbina N! : Potencia disponible en el viento T!"# : Tiempo de recuperacin de la inversin !"# : Rendimiento de la batera !"# : Rendimiento del generador !!" : Rendimiento del inversor o alternador !"# : Rendimiento de la transmisin : Densidad del aire : ngulo de calado

1 CAPTULO 1

Introduccin 1.1 Introduccin Los clculos matemticos demuestran que es fsicamente imposible lograr superar una eficiencia de 59% al extraer la energa cintica del viento y convertirla en energa mecnica. La diferencia aproximada entre las eficiencias de las VAWT y HAWT son del orden de 10-25% aproximados. Para grandes proyectos elicos cada dcima en la eficiencia es importante para la viabilidad del mismo y mientras esta diferencia en la eficiencia siga as, continuar la preferencia por las HAWT. Sin embargo, hay un nicho donde las VAWT estn floreciendo: sector domstico a bajas alturas. Las VAWT tienen la particularidad de que son de fcil construccin, lo que explica en parte su popularidad. Los pro-VAWT alegan que a bajas alturas las VAWT tienen la ventaja de poder capturar el viento y remolinos proveniente de distintas direcciones lo que las hace ms eficientes y los pro-HAWT contraatacan con el hecho de que a bajas alturas se producen remolinos variables y que en consecuencia cada labe no est orientado ptimamente a la direccin del viento. A pesar de los detractores en la actualidad existe una variada oferta de turbinas elicas pequeas del orden de 500-1000W siendo algunas VAWT con variadas formas y otras HAWT direccionadas, pero la mayora de ellas estn en el mercado europeo. Que haya una gran variedad de formas de las VAWT hace notar el hecho de que an no se llega a un consenso y madurez sobre este tipo de turbinas y que la tecnologa puede ser aun mejorada.

2 CAPTULO 2

Evaluacin de viento disponible 2.1 rea geogrfica a considerar Para ste estudio se consideran puntos geogrficos importantes dentro de la regin del Biobo desde los puntos de vista de poblacin disponible, poder adquisitivo y potenciales compradores. No se ahondar demasiado en los criterios de seleccin de los puntos y es bsicamente un filtro general para enfocarse slo en ciertos puntos de la regin. Desde el punto de vista de poblacin es claro considerar los puntos urbanos importantes de la regin como lo son Concepcin, Talcahuano, Hualpn, Chiguayante, San Pedro de la Paz, Los ngeles y Chilln. Es claro que la energa disponible en el viento aumenta a medida que se aumenta la altura y tambin a medida que hay menor cantidad de edificios y grandes construcciones urbanas, sin embargo, hay que tomarse el tiempo para analizar y cuantificar este efecto en las ciudades. Es posible implementar la turbina sobre edificios residenciales en las reas urbanas que podran estar interesados en reducir costos en energa elctrica de la comunidad del edificio o para el consumo de algn habitante del edificio en particular. Es por eso que se considerar el anlisis a diferentes alturas en estos sectores. Del punto de vista de poder adquisitivo destacan como alternativas Concepcin, San Pedro de la Paz, Los ngeles y Chilln; esto debido a su gran cantidad de actividad productivas primarias, secundarias y terciarias en sus centros urbanos o alrededores. Para tener una idea de la ubicacin de stas actividades productivas en la regin se muestran la Figura 1 las primarias y secundarias, en la Figura 2 las terciarias. Tambin corresponde considerar otras variables para la seleccin de la zona a considerar. Por ejemplo, personas que se veran especialmente interesadas por la turbina seran terratenientes que se localizan alrededor de los sectores urbanos o tambin pequeos agricultores. Ambos podran tener inters en reducir costos de energa elctrica y por lo tanto se debe analizar zonas interurbanas. Tomando en cuenta todo lo anterior, se decide de analizar:

Las zonas urbanas de Concepcin, San Pedro de la Paz, Chiguayante, Los ngeles y Chilln.

Las zonas interurbanas que se vean interesantes a partir del anlisis anterior y de una observacin del mapa de vientos.

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Figura 1. Actividades primarias y secundarias en la regin del Biobo.

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Figura 2. Actividades terciarias en la regin del Biobo.

2.2 Evaluacin del viento en las zonas de inters. Para realizar la evaluacin del viento en cada zona, se utiliza el sitio web del Explorador de Energa Elica de la Universidad de Chile, el cul entrega datos muy precisos (comprobados) calculados a partir de simulaciones numricas con alta resolucin horizontal y vertical. Este sitio entrega los valores de velocidad media del viento a alturas aproximadas de 5.5, 16, 26, 37, etc metros (y an ms) calculados dentro de distintos periodos de tiempo seleccionables por el usuario que pueden ser a ciertas horas del da, ciertos meses, o el promedio general. Se divide la evaluacin en zona urbana e interurbana. Como se busca una fcil implementacin e considera un anlisis para todas las zonas a los 5.5 metros de altura y en

5 las zonas urbanas que hay construcciones residenciales elevadas, se consideran adems tramos de alturas superiores. El intervalo de tiempo considerado es el promedio anual, es decir, lo ms general posible. En la Figura 3 se tiene una vista general de la distribucin de la velocidad media anual del viento dentro de la regin a una altura aproximada de 5.5 metros.

Figura 3. Velocidad media anual del viento a 5.5 metros de altura.

A continuacin se presenta cada zona de inters y se muestra la velocidad media del viento en un punto central que est incluido dentro del rea de inters mediante los grficos que genera el sitio web segn los requerimientos de este estudio ya mencionados anteriormente. 2.2.1 Zona urbana En las Figuras 4 a 8 se muestra el viento medio y el detalle mensual para las zonas de Concepcin, San Pedro de la Paz, Chiguayante, Los ngeles y Chilln respectivamente a la altura aproximada de 5.5 metros. Adems en la Tabla 1 se detallan adicionalmente las velocidades medias al ir aumentando la altura en cada sector.

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Figura 4. Viento medio en Concepcin a 5.5 metros de altura.

Figura 5. Viento medio en San Pedro de la Paz a 5.5 metros de altura.

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Figura 6. Viento medio en Chiguayante a 5.5 metros de altura.

Figura 7. Viento medio en Los ngeles a 5.5 metros de altura.

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Figura 8. Viento medio en Chilln a 5.5 metros de altura.

Altura (m) Velocidad media del viento (m/s) Concepcin San Pedro Chiguayante Los ngeles Chilln

5.5 1.9 2.4 2.1 2.9 2.1

16 3.0 3.5 3.1 4.1 3.2

26 3.6 4.1 3.8 4.7 3.7

37 3.9 4.4 4.1 5.2 4.1

47 4.2 4.7 4.4 5.5 4.4

Tabla 1. Velocidades medias del viento para las zonas urbanas a diferentes alturas.

2.2.2 Zonas interurbanas Dando un vistazo al mapa general de velocidades medias del viento a la altura de 5.5 metros (Figura 2) se pueden notar 2 zonas particularmente interesantes para el estudio que son el trayecto Los ngeles Nacimiento y la zona sur de Negrete en donde se observan velocidades medias considerablemente elevadas. stas 2 reas adems tienen poblacin que podra tener inters en la turbina. En las Figuras 9 y 10 se muestran las velocidades medias del viento a la altura de 5.5 metros para las zonas Los ngeles Nacimiento y Negrete respectivamente. En la Tabla 2 se muestran los valores a 5.5 y 16 metros de altura.

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Figura 9. Viento medio en trayecto Los ngeles - Nacimiento a 5.5 metros de altura.

Figura 10. Viento medio al sur de Negrete a 5.5 metros de altura.

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Altura (m) Velocidad media del viento (m/s) Trayecto Los ngeles - Nacimiento Al sur de Negrete

5.5 4.0 4.3

16 5.0 5.4

Tabla 2. Velocidades medias del viento para las zonas interurbanas a diferentes alturas.

Analizando la Tabla 1 se puede notar que las zonas ms apropiadas para el emplazar la turbina gracias a su calidad de viento son Los ngeles y San Pedro de la Paz. Cabe destacar que stas aplicaciones urbanas tienen que ser si o si a grandes alturas (sobre edificios o construcciones mayores a 26 metros) para asegurar que las dimensiones de la turbina no sean exageradas. De la Tabla 2 se puede corroborar que estas zonas son ideales para el emplazamiento de turbina a bajas alturas y an as tener energa elica disponible. Los principales interesados seran terratenientes que viven en stas zonas interurbanas y pequeos productores primarios locales (agricultores, ganaderos, etc).

11 CAPTULO 3

Tipos de VAWT 3.1 Tipos de VAWT Es posible calificar a las VAWT en tres tipos distintos en base a su forma y principios de funcionamiento: S avonius, Darrieus y Giromill. La eficiencia de la VAWT puede variar entre un 15% para una muy rudimentaria hasta un 40% para una altamente ajustada y est directamente relacionado con el tipo de turbina. En este captulo se realiza una definicin general de cada tipo de VAWT mencionado anteriormente y as tener un punto de partida para la seleccin de una de ests en el captulo siguiente. 3.1.1 Savonius Esta turbina fue inventada por Sigurd Johannes Savonius en el ao 1922. Se caracteriza por ser una turbina de baja velocidad, alto torque y por funcionar con el principio de arrastre. El modelo original est compuesto por dos labes curvos que giran con el eje. 3.1.2 Darrieus Fue ideada por George Darrieus en el ao 1931. Se caracteriza por ser una turbina de alta velocidad, bajo torque y por funcionar con el principio de empuje. El diseo original consiste en dos perfiles aerodinmicos curvos que giran con el eje. Hay que tener en que cuenta que este tipo de turbina requiere una partida manual o de otra fuente de energa. 3.1.3 Giromill (o H-Rotor) Tambin puede ser considerada un subtipo de la Darrieus, tiene los mismos principios de funcionamiento, sin embargo, la diferencia radica en que la Giromill utiliza perfiles aerodinmicos rectos y no curvos. Puede tener variado nmero de labes y lo ms comn es que usen 3 o 5. En la Figura 11 se muestran de forma grfica los 3 tipos de VAWT mencionados anteriormente: Giromill, Darrieus y Savonius respectivamente.

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Figura 11. De izquierda a derecha: Savonius, Darrieus y Giromill respectivamente.

Cabe destacar que existen muchas variaciones en los diseos de VAWT como por ejemplo la Savonius helicoidal e incluso hay algunas que mezclan 2 tipos distintos como la Darrieus-Savonius, sin embargo, es muy comn que los fabricantes no entregan datos claros de las mejoras en la eficiencia que acarrean estos diseos. En las Figuras 12 y 13 se muestran ejemplos de estas turbinas, aunque no sern consideradas para el propsito de este estudio por su complejidad, lo que acarrea mayores costos.

Figura 12. VAWT de la forma Savonius helicoidal.

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Figura 13. VAWT estilo Darrieus-Savonius.

14 CAPTULO 4

Criterios de seleccin 4.1 Primera fase de seleccin En primera instancia se consideran 3 criterios generales para descartar un tipo de turbina VAWT de las mencionadas anteriormente en el captulo 3 y as lograr descartar uno de los 3 tipos de turbinas. Los criterios a tomar en cuenta son: material requerido, fabricacin y coeficiente de potencia. Para todos estos criterios se considerara que se utiliza el mismo generador, alternador, eje y se aproxima tambin que la base de emplazamiento es similar. Por lo tanto las diferencias son bsicamente en la construccin de la estructura de los labes y sus uniones con el eje de rotacin de la VAWT. El material utilizado como estndar para los labes es fibra de vidrio. 4.1.1 Material requerido En la Tabla 3 se muestra la comparacin entre los 3 tipos de VAWT para el tem de material requerido. Savonius Darrieus Giromill labes de gran tamao, requieren una gran cantidad de material.

labes optimizados que requieren bajo volumen de material para su construccin, sin embargo en la fabricacin se pierde material por la complejidad de los perfiles.

labes de similar dimensin pero en mayor nmero, requiere mas material que la Darrieus. Adems la disposicin de estos requiere soportes adicionales de aluminio para unirlos al eje principal.

Tabla 3. Material requerido para los distintos tipos de VAWT.

En este apartado se puede considerar que la turbina Savonius tiene la desventaja comparndola con las otras 2.

15 4.1.2 Fabricacin En la fabricacin se debe considerar que los labes tienen que construirse en fibra de vidrio para lograr un bajo peso y buena resistencia, por lo tanto, el proceso de fabricacin tiene sus limitantes. En la Tabla 4 se muestra la comparacin entre los 3 tipos de VAWT para el tem de fabricacin. Savonius Darrieus Giromill labes con perfiles simples de muy fcil fabricacin y pueden (a futuro) producirse en serie a bajo costo si se tienen moldes suficientemente grandes a menos que los labes sean del tipo helicoidal.

labes de gran complejidad por lo que requiere un proceso de fabricacin sofisticado que aumenta el costo y dificulta la produccin en serie.

labes con perfiles aerodinmicos simples de muy fcil fabricacin y pueden (a futuro) producirse en serie a bajo costo si se tienen moldes suficientemente grandes.

Tabla 4. Dificultad de fabricacin para los distintos tipos de VAWT.

En este apartado se puede considerar que la turbina Darrieus tiene la desventaja con respecto a las otras 2. 4.1.3 Coeficiente de Potencia El coeficiente de potencia !, que cuantifica la energa del viento que la turbina transforma en energa mecnica, resulta muy til a la hora de comparar turbinas elicas y saber cual tiene mayor eficiencia. En la Tabla 5 se muestra la comparacin entre los 3 tipos de VAWT para el tem de coeficiente de potencia. Savonius Darrieus Giromill Rendimiento bajo (! inferior a 0.3).

Alto rendimiento (! hasta 0.4) incluso llegando a las cercanas del rendimiento de las HAWT.

Rendimiento intermedio (! alrededor de los 0.35).

Tabla 5. Comparacin de ! para los distintos tipos de VAWT.

En este apartado se puede considerar que la turbina Savonius tiene la desventaja con respecto a las otras 2.

16 Realizando un anlisis de la comparacin, se puede ver que la ventaja de la turbina tipo Savonius se reduce slo a su fcil fabricacin y no es comparable en rendimiento a sus contrapartes VAWT. Por lo tanto, para la aplicacin de este estudio, se descarta. 4.2 Segunda fase de seleccin En segunda instancia se considerarn varios parmetros para la eleccin entre Darrieus y Giromill que se muestran en la Tabla 6 a continuacin. Darrieus Giromill Perfil del labe Complicado Simple Permite control sobre el ngulo de orientacin No Si Permite uso de cables de sujecin Si Opcional Ruido Moderado Bajo rea delos labes Grande Moderado Posicin del generador En tierra En tierra Carga en los labes Baja Moderada Partida automtica No No Fundaciones Simple Moderada Estructura general Simple Simple Dificultad de fabricacin Moderada Simple

Tabla 6. Criterios avanzados de comparacin entre Darrieus y Giromill.

Desde el punto de vista de la aplicacin requerida para el tipo de turbina a seleccionar, la turbina del tipo H-Rotor se presenta como la candidata ideal por las siguientes ventajas:

Fcil fabricacin Mayor versatilidad Permite utilizar cables de sujecin para disminuir las cargas en el eje central Coeficiente de potencia aceptable Estructura general simple Bajo ruido Tiene como opcin implementar un sistema para direccionar los labes

Debido a estos factores fundamentales, la VAWT el tipo Giromill es la que ms se ajusta a los requerimientos de este proyecto.

17 CAPTULO 5

Parmetros de diseo 5.1 Potencia requerida Un importante factor a tener en cuenta es la potencia que apuntamos generar con la turbina. Sabemos que al pblico que apuntamos es el usuario final o a pequeos productores. De la pgina web dedicada a ERNC llamada Chile renueva sus energas [www.chilerenuevasusenergias.cl] obtenemos que el valor del consumo promedio mensual de un hogar chileno de cuatro personas es de aproximadamente 220 kWh y equivale aproximadamente a una cuenta de $23.000.- en el momento que se realiz este estudio. Con estos datos se puede entonces calcular la potencia promedio consumida por el hogar mediante la ecuacin (1). !"#$ = !!"# (!"!!"# )!"(!"#!"#)!"( !!"#) (1) Lo que nos da una potencia promedio !"#$ = 0.306 = 306 . La meta es al menos lograr una potencia promedio que nos permita ahorrar la mitad de la energa consumida es decir tenemos que producir una potencia elctrica !"! = 0.5 306 = 153 . Tenemos claro que los rendimientos implicados en la produccin de la turbina son: !"# = 0.9 !"# = 0.9 !"# = 0.9 !"# = 0.95 Por lo tanto la potencia que tiene que entregar la turbina se calcula como: !"# = !!"!!!"#!!"#!!"#!!"# (2) Y de la ecuacin (2) se obtiene que !"# = 221

18 5.2 Dimetro y altura de la turbina La energa contenida en el viento se calcula con la ecuacin: ! = !! ! (3)

Y adems se tiene que la ecuacin del coeficiente de potencia es: ! = !!"#!! (4)

Se considera que la turbina tiene un buen diseo, entonces se asume un ! = 0.35. Del estudio de vientos para las reas de inters se considera un velocidad del viento medio de 5 m/s. La densidad del aire se aproxima a = 1.2 !"!! Adems se considera la razn dimetro-altura !! = 1.2 para mayor estabilidad. Todo esto en la ecuacin (3) nos da un rea barrida = 8.31 ! Por lo que las dimensiones de la turbina deben ser dimetro H=1.5m y D=1.8m. 5.3 labes Ya se decidi en el Captulo 4 que la VAWT de estilo Giromill es la ms adecuada para este proyecto. En la seleccin de esta turbina se debe tener en cuenta el nmero y forma de los labes. Para esta seccin se tomarn en cuenta los resultados de un estudio de la Universidad Ain Shams de Egipto [M. El-Samanoudy et al. 2010] en donde se realizaron comparaciones entre distintos nmeros de labes, tipos de perfiles aerodinmicos, ngulos de calado, longitudes de cuerda de los labes y radios de la turbina. Nos ser particularmente til para seleccionar rpidamente estos valores y ser considerado el estudio base de esta seccin. 5.3.1 Nmero de labes Segn el estudio mencionado anteriormente, el aumento del nmero de labes de una VAWT Giromill de 2 a 4 presenta un aumento significativo en el coeficiente de potencia de la turbina. Sin embargo, es comn que las turbinas Giromill en el comercio usan 5 labes debido a la asimetra y a que el viento a bajas alturas tiene distintas direcciones, no direccionado como en el tnel de viento del estudio, por lo que extrapolaremos y seleccionaremos 5 labes para lograr un incremento en el coeficiente de potencia. El tipo de turbina se muestra desde arriba en la Figura 14.

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Figura 14. Vista superior de un Giromill de 5 labes

5.3.2 Tipo de perfil aerodinmico El estndar NACA es el que se usa para normalizar los tipos de perfil aerodinmico. Del estudio base de esta seccin, en el que se ponen a prueba 3 perfiles distintos de los cuales se llega a la conclusin de que el ms adecuado es el perfil tipo NACA 0024 que se muestra en la Figura 15.

Figura 15. Perfil tipo NACA 0024.

20 5.3.3 ngulo de calado El ngulo de calado es el ngulo entre la cuerda del labe y el plano de rotacin de la turbina. En el estudio base, se prob con ngulos de calado variando en desde 0 a 40. Se concluy que el ngulo de calado de 10 es el que logra el mejor coeficiente de potencia. En la Figura 16 se puede observar con ms claridad el ngulo de calado .

Figura 16. ngulos en el labe. 5.3.4 Longitud de cuerda del labe De un estudio [Andrew Tendai Zhuga et al.] hecho para 2 turbinas Giromill de 3 y 5 labes se obtiene que para la altura de H=1.5 y D=1.8m la longitud de cuerda para el labe es de C=0.16m.

21 CAPTULO 6

Propuestas adicionales 6.1 Levitacin magntica En la actualidad se est experimentando con el uso de imanes de neodimio para la construccin de VAWTs que utilizan levitacin magntica en el eje para disminuir el roce entre partes producido por la fuerza peso de la estructura y as lograr una mejora en el rendimiento de la turbina. Esto conlleva a que el torque de roce a vencer sea casi inexistente. La aplicacin en este proyecto reduce el tiempo de recuperacin de la inversin por lo que aumenta la viabilidad. En a Figura 17 se puede observar la separacin entre las bases lograda gracias a imanes de neodimio en un eje de una VAWT.

Figura 17. Aplicacin de levitacin magntica en un eje de VAWT. 6.2 Combinacin con Savonius Sabemos que el principal problema de una turbina Giromill es que su partida no es automtica hasta que alcanza altas velocidades. Una turbina de arrastre como la Savonius no posee este problema, por lo que surge la idea de considerar una combinacin entre

22 ambas para que a bajas velocidades la Savonius logre hacer girar el eje. Una aplicacin de esto se puede observar en el diseo de la Figura 18.

Figura 18. Combinacin Savonius-Giromill.

Puede parecer una idea especatacular, sin embargo, la caminacin de ambas puede no ser positiva para el rendimiento de la turbina y el costo y peso aumenta considerablemente por el material extra.

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CAPTULO 7

Consideraciones para la implementacin y costos 7.1 Consideraciones Para a implementacin se tendrn en consideracin los siguientes puntos: 7.1.1 Fabricacin Para obtener el costo ms bajo posible, se decide pedir toda la turbina y sus componentes a China (labes, generador, inversor, controlador, etc). El generador debe ser mnimo de 300W para que soporte los periodos de sobrecarga elica. 7.1.2 Altura de implementacin De los datos obtenidos en el anlisis del viento por zona, podemos recomendar:

Para zonas urbanas como San Pedro y Los ngeles, el emplazamiento debera ser mnimo a una altura de 26 metros para lograr obtener una velocidad media que permita generar la potencia necesaria. Esto implica que la turbina solo es viable sobre construcciones altas mayores a 10 pisos en las zonas urbanas.

Para las zonas interurbanas en cuestin, la altura de emplazamiento de la turbina debera ser mnimo de 5.5 metros, por lo que puede ser ubicada en los techos de casas, graneros, etc.

7.1.3 Construccin El armado y puesta en marcha de la turbina puede ser hecho por algn tcnico o ingeniero mecnico-elctrico. Adems, para lugares donde el viento vara mucho y se generan fuerzas que tienden a mover la turbina horizontalmente, se deben aplicar cables de sujecin a tierra. 7.2 Costos Considerando que el equipo completo ser pedido a China, se hizo una cotizacin en la pgina web de proveedores Alibaba en donde se consigue el mejor precio (al por mayor) de todo el equipo necesario de 700 $US por equipo. Adems hay que consideracin los

24 impuestos de importacin de 31% aproximadamente, IVA de 19% y una comisin de venta de 20%. Por lo tanto el precio al consumidor final sera de: !"#$ = !"#$ = 1310 $ = $733.500 Ahora, recordando que queremos un ahorro de 50% de la cuenta elctrica que equivale a $11.500, se puede calcular el periodo de recuperacin de la inversin como: !"# = !"#$ [$]!!!""![ $] 12[] = 5.3 Por lo la inversin debera ser recuperada en 5 aos y 4 meses aproximadamente.

25 CAPTULO 8

Conclusiones y discusiones 8.1 Conclusiones La turbina elica de eje vertical seleccionada es de muy fcil fabricacin e implementacin. Adems el tiempo de recuperacin de la inversin considerado es relativamente bajo para los estndares de energa elica. Esto conjuntamente logra que sea una oferta atractiva para el consumidor mientras cada vez se van instruyendo en las energas renovables no convencionales. 8.2 Discusiones El tiempo de recuperacin de la inversin dio un valor que puede estar errado ya que los proyectos elicos a mayor escala y con HAWT (generalmente de mucho mayor eficiencia) presentan un promedio de recuperacin mayor. Esto puede deberse a que el valor cotizado en China con el proveedor puede no estar entregndome los requisitos que yo cotic, es decir, puede haber estado inflando las capacidades de su turbina. Adems no se consider los costos de instalacin y mantenimiento en el clculo de la recuperacin. Puede que aunque para un ingeniero parezca bajo el tiempo de recuperacin de la inversin, para el tpico consumidor final un tiempo de mas de 5 aos puede parecer algo excesivo y por lo tanto no estara dispuesto a invertir. Una solucin es que el gobierno comience a subsidiar los proyectos de ERNC a nivel de consumidor. Hay pocas ubicaciones geogrficas que cumplen con los requisitos para la implementacin, lo que reduce mucho el nicho de mercado al cual estara enfocada la turbina.

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REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFA Sandra Eriksson, et al. (2006) Evaluation of different turbine concepts for wind power Swedish Centre for Renewable Electric Energy Conversion, Division for Electricity and Lightning Research, Sweden. M. El-Samanoudy et al. (2010) Effect of some design parameters on the performance of a Giromill vertical axis wind turbine. Andrew Tendai Zhuga et al. Design of Alternative Energy Systems: A Self-Starting Vertical Axis Wind Turbine for Stand-Alone Applications (charging batteries) Chinhoyi University of Technology, P. Bag 7724, Chinhoyi, ZIMBABWE.