Propuesta para la transformacion de energia eolica a electrica 3er corte
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1 PROPUESTA PARA LA TRANSFORMACION DE ENERGIA EOLICA A ELECTRICA. SERGIO DANIEL TRUJILLO PEREZ JUAN FELIPE GONZALEZ RIVEROS E.C.C.I. ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES TECNÓLOGO EN GESTIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES BOGOTA 2013
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PROPUESTA PARA LA TRANSFORMACION DE ENERGIA EOLICA A
ELECTRICA.
SERGIO DANIEL TRUJILLO PEREZ
JUAN FELIPE GONZALEZ RIVEROS
E.C.C.I. ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES
TECNÓLOGO EN GESTIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES
BOGOTA
2013
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PROPUESTA PARA LA TRANSFORMACION DE ENERGIA EOLICA A
ELECTRICA.
SERGIO DANIEL TRUJILLO PEREZ
JUAN FELIPE GONZALEZ RIVEROS
JAVIER BOBADILLA
DOCENTE FISICA ELECTRICA
E.C.C.I. ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES
INGENIERÍA INDUSTRIAL
TECNÓLOGO EN GESTIÓN EN PROCESOS INDUSTRIALES
BOGOTÁ
2013
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TABLA DE CONTENIDO
1. Objetivos
2. Antecedentes
3. Marco Teórico
3.1 La Energía Eólica
3.1.1 Historia de la Energía Eólica
3.1.2 Futuro de la Energía Eólica
3.1.3 CÁLCULO DE LA ENERGÍA EÓLICA
3.2 ENERGÍA ELÉCTRICA
3.2.1 Corriente eléctrica
3.2.2 Fuentes de energía eléctrica
3.2.3 Generación de energía eléctrica
3.2.4 Apagón eléctrico
3.2.5 Ruido eléctrico
3.2.6 Consumo de energía y eficiencia energética
3.3 INTEGRACION DE LA ENERGIA EOLICA EN LA RED ELECTRICA
3.4 TIPOS DE AEROGENERADORES
4 DESARROLLO DEL PROYECTO
4.1 La energía eólica
4.2 ¿Cómo se realiza la producción de energía eólica?
4.3 Producción de energía eólica
4.4 Los generadores de viento
4.5 Partes de un generador eólico
4.6 Funcionamiento de un aerogenerador
4.7 Generación de la electricidad en los aerogeneradores
4.8 Control de potencia en los aerogeneradores
4.9 Factores que influyen en la cantidad de potencia del viento
4.10 Comparación entre las potencias
4.11 Algunas consideraciones con respecto al viento
4.12 Beneficios
5. DESARROLLO DEL PROYECTO
6. PROCESO EXPERIMENTAL
7. CONCLUSIONES
8. BÚSQUEDA BIBLIOGRÁFICA
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1. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Conocer la energía eólica mirando sus ventajas y sus desventajas para el
beneficio de nosotros y medioambientales, aplicaciones y sus diferencias con las
demás energías.
OBJETIVO ESPECIFICOS:
Investigar el método en donde puede ser manipulada este tipo de energía
en nuestro país, continente y en el resto del mundo.
Experimentar el conocimiento y la práctica de cómo hacer energía eólica
para asi mismo representarlo en nuestras vidas a futuro.
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2. ANTECEDENTES
Hasta la aparición de la máquina de vapor en el siglo XIX, la única energía de
origen no animal para realización de trabajo mecánico era la proveniente del agua
o del viento. La primera y más inmediata forma de aprovechamiento de la energía
eólica ha sido desde los tiempos más remotos aplicada a la navegación; las
primeras referencias de la utilización de embarcaciones a vela proceden de Egipto
y datan del IV ó V milenio antes de J.C.
Los molinos de viento existían ya en la más remota antigüedad. Persia, Irak,
Egipto y China disponían de máquinas eólicas muchos siglos antes de J.C.;
Hammurab I. rey de Babilonia, 17 siglos antes de J.C. utilizó molinos accionados
por el viento para regar las llanuras de Mesopotamia y para la molienda del grano.
Se trataba de primitivas máquinas eólicas de rotor vertical con varias palas de
madera o caña, cuyo movimiento de rotación era comunicado directamente por el
eje a las muelas del molino.
En China hay referencias de la existencia de molinos de rotor vertical y palas a
base de telas colocadas sobre un armazón de madera, que eran utilizados para el
bombeo de agua, máquinas conocidas como panémonas, precursoras de los
molinos persas. El egipcio Hero de Alejandría representa en un estudio un molino
de eje vertical de cuatro palas.
Los molinos de viento fueron utilizados en Europa en la Edad Media, comenzando
a extenderse por Grecia, Italia y Francia. Si el origen de las máquinas eólicas
presenta notables incertidumbres, no menos lo hace su expansión por el
Mediterráneo y por toda Europa. Según algunos autores, se debe a los cruzados
la introducción de la tecnología eólica en Occidente, si bien otros opinan que
Europa desarrolla su propia tecnología, claramente distinta de la oriental, ya que
en Europa se imponen fundamentalmente los molinos de eje horizontal, mientras
que los molinos orientales eran de eje vertical.
Sea cual fuese la forma de aparición de estas máquinas en diversos países
europeos, lo cierto es que se encuentran abundantes ejemplos de la importancia
que los molinos de viento llegaron a tener en diversas aplicaciones; citemos como
ejemplo relevante los literarios molinos castellanos utilizados para la molienda y
los no menos conocidos molinos holandeses usados desde 1430 para la
desecación de los polders, todos ellos de eje horizontal. En el siglo XVI Holanda
perfecciona el diseño de los molinos y los utiliza para el drenaje; entre los años
1609 y 1612, Beemster Polder fue drenado con la ayuda de estas máquinas; sin
embargo, no sólo utilizaron los molinos para drenar el agua, sino también para
extraer aceites de semillas, moler grano, etc; precisamente el nombre de molinos
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proviene de este tipo de aplicaciones. Una idea de la importancia que en el
pasado adquirió la energía eólica nos la da el hecho de que en el siglo XVIII, los
holandeses tenían instalados y en funcionamiento 20.000 molinos, que les
proporcionaban una media de 20 Kw cada uno, energía nada despreciable para
las necesidades de aquella época.
En 1724 Leopold Jacob proyecta un molino de ocho palas que mueve una bomba
de pistón; en 1883 aparece el pequeño multipala americano diseñado por Steward
Perry. Este molino, de unos 3 metros de diámetro utilizado para bombeo, ha sido
el más vendido de la historia, llegándose a fabricar más de seis millones de
unidades, de las que existen varios miles en funcionamiento. Como precursor de
los actuales aerogeneradores, es necesario citar la aeroturbina danesa de Lacourt
(1892), máquina capaz de desarrollar entre 5 y 25 Kw.
Hasta ese momento, las velocidades típicas que se habían conseguido con los
multipala eran de dos veces la del viento, mientras que los molinos clásicos
habrían funcionado con velocidades en el extremo de la pala del mismo orden de
magnitud que la del viento.
La teoría de la aerodinámica se desarrolla durante las primeras décadas del siglo
XX, permitiendo comprender la naturaleza y el comportamiento de las fuerzas que
actúan alrededor de las palas de las turbinas. Los mismos científicos que la
desarrollaron para usos aeronáuticos Joukowski, Drzewiechy y Sabinin en Rusia;
Prandtl y Betz en Alemania; Constantin y Enfield en Francia, etc, establecen los
criterios básicos que debían cumplir las nuevas generaciones de turbinas eólicas.
En el año 1910 Dinamarca tenía instalada una potencia eólica de 200 MW.
En los años 20 se empiezan a aplicar a los rotores eólicos los perfiles
aerodinámicos que se habían diseñado para las alas y hélices de los aviones. En
1927, el holandés A.J. Dekker construye el primer rotor provisto de palas con
sección aerodinámica, capaz de alcanzar velocidades en punta de pala, cuatro o
cinco veces superiores la del viento incidente.
Betz demostró en su famoso artículo "Die Windmuhlen im lichte neverer
Forschung", (Berlín 1927), que el rendimiento de las turbinas aumentaba con la
velocidad de rotación y que, en cualquier caso, ningún sistema eólico podía
superar el 60% de la energía contenida en el viento. Por lo tanto, los nuevos
rotores debían funcionar con elevadas velocidades de rotación para conseguir
rendimientos más elevados. La teoría demostró también que cuanto mayor era la
velocidad de rotación menor importancia tenía el número de palas, por lo que las
turbinas modernas podían incluso construirse con una sola pala sin que
disminuyera su rendimiento aerodinámico significativamente.
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A pesar de los esfuerzos realizados y de la mayor eficacia de las nuevas turbinas,
las dificultades de almacenamiento y las desventajas propias de la irregularidad de
los vientos fueron la causa de que las aplicaciones basadas en el
aprovechamiento del viento como recurso energético continuaran declinando
hasta el final de la Primera Guerra.
Los combustibles fósiles, y en particular el petróleo, empezaban a imponerse
como la principal e insustituible fuente de energía. Sin embargo, el petróleo
presentaba un grave inconveniente al crear una dependencia entre los países
consumidores y los productores, de forma que cuando el orden económico se veía
alterado por alguna crisis y la dependencia energética se hacía patente, se
adoptaban políticas de apoyo de los recursos autónomos, que se abandonaban
una vez se superaba la crisis.
La primera de estas etapas fue una consecuencia inmediata de la Primera Guerra.
Con una fuerte expansión de la electricidad como sistema energético universal y
escasez de recursos para importar petróleo, las turbinas eólicas continuaron
desarrollándose por dos caminos diferentes.
Por un lado, hacia el diseño, construcción y comercialización de aerogeneradores
de baja potencia, capaces de generar electricidad en áreas rurales más o menos
aisladas, a las que todavía no habían llegado las redes de electrificación.
Por otro, y a la sombra de una industria aeronáutica en pleno desarrollo, hacia el
diseño y construcción de grandes plantas eólicas capaces de generar electricidad
a gran escala.
Este apoyo a los recursos energéticos autóctonos, que comenzó inmediatamente
después de la guerra, se mantuvo durante la década siguiente, como
consecuencia de la política proteccionista adoptada por los países occidentales
tras la crisis de 1929.
Durante este período fueron innumerables los trabajos realizados sobre plantas
eólicas de gran potencia en Europa y USA, centrando los programas eólicos su
interés en aspectos diferentes como, la evaluación de los recursos disponibles,
obtención y tratamiento de datos meteorológicos, elaboración de mapas eólicos y
localización de emplazamientos, y el cálculo, diseño y construcción de plantas de
gran potencia, a la vez que intentó crear incentivos que motivasen a la iniciativa
privada a fabricar y comercializar pequeñas turbinas con funcionamiento
autónomo, que permitiesen cubrir las necesidades de explotaciones agrícolas o
industriales situadas en zonas apartadas.
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Dentro de los grandes proyectos, el Honnef alemán consistía en instalar torres de
300 metros de altura, con 3 ó 5 rotores de 150 metros de diámetro, capaces de
generar 75 MW; aunque se realizaron estudios a pequeña escala, el prototipo de
esta central fue destruido en una incursión aérea.
El anteproyecto Heronemus (U.S.A.) consistía en la construcción de estaciones
eólicas compuestas por torres de 113 metros de altura con tres rotores de 73
metros de diámetro; se pensaba que con 1400 estaciones de este tipo, ubicadas
en la costa se podría generar el 8% de la demanda eléctrica U.S.A.
En 1931 se instaló en el Mar Negro una máquina eólica de 100 Kw.
Entre 1941 y 1945 estuvo funcionando en U.S.A, una unidad de 1,2 MW.
Una vez finalizada la Segunda Guerra, y como consecuencia del período de
escasez que siguió, los países europeos elaboraron programas nacionales para
elegir los emplazamientos más adecuados donde deberían instalarse las grandes
plantas eólicas que se proyectaban.
El segundo periodo de desarrollo de la energía eólica comienza en los años
cincuenta y se prolonga hasta mediados de los sesenta en que, una vez
restablecida la economía internacional, acaba perdiendo interés al no resultar sus
precios competitivos con los de los combustibles fósiles convencionales, por lo
que el bajo precio del petróleo, hasta 1973, cerró el camino al desarrollo de la
tecnología eólica; a esta etapa siguió otra de precios del petróleo altos que se
prolongó hasta 1986 y que favoreció el desarrollo de los aerogeneradores eólicos
como fuente de energía alternativa, renovable y no contaminante, capaz de
producir electricidad a precios competitivos.
En esta época, las redes de electrificación empezaban a ser lo suficientemente
extensas como para cubrir la mayor parte de las zonas rurales, por lo que también
disminuyeron las ventajas de los aerogeneradores de baja potencia utilizados en
zonas aisladas.
El período terminó con un gran número de instalaciones experimentales,
construidas de una forma dispersa en países diferentes, sin demasiada conexión
entre sí.
Solamente en Francia, Dinamarca e Inglaterra se llevaron a cabo programas de
cierta importancia.
El número de aerogeneradores instalados a finales de 1991 era superior a los
21.000, según datos de la Agencia Internacional de la Energía, con un total de
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potencia de 2.200 MW, equivalente a dos centrales nucleares de gran potencia, y
de los cuales la mitad estaban instalados en los parques eólicos de California.
A título anecdótico, a finales de 1991 la potencia de origen eólico instalada en la
red eléctrica danesa ascendía a 410 MW con una producción de energía
equivalente al 2,3% del consumo del país. En Alemania la potencia instalada era
de 100 MW y estaba previsto alcanzar los 250 MW en breve plazo Holanda
contaba con 80 MW de potencia instalada y 100 más en construcción. El programa
eólico holandés tiene previsto alcanzar los 1.000 MW hacia el año 2000 y los
2.000 MW en el 2010. España tenía en fase de realización varios proyectos que
completarían los 50 MW hacia finales de 1992. El Plan de Energías Renovables,
dentro del Plan Energético Nacional 1992-2000 alcanzó los 100 MW a finales de
1995, aunque las previsiones actuales sobrepasan ampliamente estas cifras.
En cuanto al tipo de máquinas de mayor interés, los resultados obtenidos de las
numerosas experiencias realizadas permitieron concretar el campo de trabajo en
dos modelos: las turbinas de eje horizontal de dos o tres palas y, en menor
medida, las turbinas Darrieux de eje vertical.
El tamaño medio de las máquinas instaladas hasta 1990 estuvo en el rango de los
100 Kw, aunque se observaba una clara tendencia ascendente.
En los últimos 10 años los pequeños aerogeneradores aumentaron poco a poco
sus potencias, a la vez que mejoraban su fiabilidad y reducían sus costes; las
potencias medias de los aerogeneradores instalados entre 1990 y 1991 era de 225
Kw; en los últimos años se han podido construir aerogeneradores con potencias
mayores, desarrollados por las grandes compañías de la industria aeronáutica,
que aumentan la fiabilidad de las máquinas y reducen sus costes, convergiendo
hacia una nueva generación de aeroturbinas de 500 Kw a 1,2 MW, lo que
demuestra el alto grado de madurez alcanzado por esta tecnología. La fabricación
de pequeñas máquinas ha ido perdiendo interés en países con redes de
distribución de electricidad muy extendidas, ya que los costes superiores de la
energía en instalaciones pequeñas e individuales los hacen poco rentables.
El precio del Kw/h eólico puede ser, en aerogeneradores de potencia media, la
mitad que en los aerogeneradores de potencia baja. La rentabilidad de las
aeroturbinas eólicas implica el intentar disminuir costos, tanto en su instalación
inicial, como en los gastos de mantenimiento, procurando que el tiempo de vida de
la instalación sea superior al del período de amortización.
(Tomado de http://exa.unne.edu.ar/fisica/maestria/modulo2/eolica/eolo12002.pdf)
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En Colombia
Los vientos en Colombia están entre los mejores de Sudamérica. Regiones en
donde se han investigado, como en el departamento de la Guajira, han sido
clasificados vientos clase 7 (cerca de los 10 metros por segundo (m/s)). La única
otra región con esta clasificación en Latinoamérica es la Patagonia, ubicada
en Chile y Argentina.
Colombia tiene un potencial estimado de energía eólica de 21GW solamente en el
departamento de la Guajira (lo suficiente para satisfacer casi dos veces la
demanda nacional de energía). Sin embargo, el país solamente ha instalado
19.5MW en energía eólica, explotando 0.4% de su potencial teórico. Esta
capacidad la aprovecha principalmente el Parque de Jepirachí, desarrollado
por Empresas Públicas de Medellín (EPM) bajo Carbon Finance, un mecanismo
anexado al Banco Mundial.4 También hay varios proyectos bajo consideración,
incluyendo un parque eólico de 200MW en Ipapure.
(Tomado de
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADas_renovables_en_Colombia)
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3. MARCO TEORICO
3.1 LA ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica pertenece al conjunto de las energías renovables o también denominadas energías alternativas. La energía eólica es el tipo de energía renovable más extendida a nivel internacional por potencia instalada (Mw) y por energía generada (Gwh).
Es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles de energía para las actividades humanas.
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Su principal inconveniente es la intermitencia del viento.
3.1.1 Historia de la Energía Eólica
La energía eólica se ha utilizado históricamente para tareas mecánicas que requerían de mucho esfuerzo físico, como era moler grano o elevar agua de pozos. En estos casos la energía final que se usaba era la energía mecánica, sin embargo, con el paso de los años el objetivo que se buscaba era el de producir energía eléctrica a partir del viento. La energía eólica es una de las formas de energía más antiguas usadas por la humanidad. Desde el principio de los tiempos, los hombres utilizaban los molinos de viento para moler cereales o bombear agua. Con la llegada de la electricidad, a finales del siglo XIX los primeros aerogeneradores se basaron en la forma y el funcionamiento de los molinos de viento. La generación de energía eléctrica a partir de energía eólica tuvo lugar en Dinamarca hacia 1890, cuando se realizaron los primeros experimentos con aerogeneradores, llegando a producir hasta 200 kw (profesor La Cour ). Desde el año 1995 hasta nuestros días hemos visto crecer exponencialmente la energía eólica en todo el mundo, destacando los países como España, Dinamarca, Holanda y Alemania.
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3.1.2 Futuro de la Energía Eólica
Actualmente muchos países cuentan con la energía eólica como una fuente de energía primaria en pleno desarrollo. Los países que destacan como futuros grandes generadores de energía eólica son: China, India, Sudamérica y EE.UU. De hecho, China cuenta ya con grandes fabricantes de aerogeneradores que han conseguido tecnologías muy fiables. Una de las formas de energía eólica más conocida es la energía eólica terrestre, ya que estamos familiarizados a ver aerogeneradores en tierra, sin embargo, la superficie del mar es tan extensa, y se presenta en ella el recurso eólico más abundante de la tierra, que se han desarrollado en los últimos años tecnologías para instalar aerogeneradores en el mar. Esta forma de energía eólica se conoce como energía eólica offshore o eólica marina. 3.1.3 CÁLCULO DE LA ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica es la energía cinética de las partículas de aire que se mueven con una velocidad v. Una superficie circular de radio r, die perpendicular a la dirección del viento, es atravesado durante un tiempo t por la siguiente masa de aire:
Por lo tanto, la energía cinética del aire es:
Hay que prestar atención al dato de que la potencia eólica depende del cubo de la velocidad del aire. Por lo tanto, la velocidad es el factor más importante a la hora de calcula la energía eólica.
3.2 ENERGÍA ELÉCTRICA
Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico. La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía luminosa o luz, la energía mecánica y la energía térmica.
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3.2.1 Corriente eléctrica
La energía eléctrica se manifiesta como corriente eléctrica, es decir, como el movimiento de cargas eléctricas negativas, o electrones, a través de un cable conductor metálico como consecuencia de la diferencia de potencial que un generador esté aplicando en sus extremos.
3.2.2 Fuentes de energía eléctrica
La energía eléctrica apenas existe libre en la Naturaleza de manera aprovechable. El ejemplo más relevante y habitual de esta manifestación son las tormentas eléctricas. La electricidad tampoco tiene una utilidad biológica directa para el ser humano, salvo en aplicaciones muy singulares, como pudiera ser el uso de corrientes en medicina (electroshock), resultando en cambio normalmente desagradable e incluso peligrosa, según las circunstancias. Sin embargo es una de las más utilizadas, una vez aplicada a procesos y aparatos de la más diversa naturaleza, debido fundamentalmente a su limpieza y a la facilidad con la que se la genera, transporta y convierte en otras formas de energía. Para contrarrestar todas estas virtudes hay que reseñar la dificultad que presenta su almacenamiento directo en los aparatos llamados acumuladores. La generación puede ir relacionada con la distribución, salvo en el caso del autoconsumo.
3.2.3 Generación de energía eléctrica
Actualmente la energía eléctrica se puede obtener de distintos medios, que se dividen principalmente en:
Renovables: Centrales termoeléctricas solares Centrales solares fotovoltaicas Centrales eólicas Centrales hidroeléctricas Centrales geo-termoeléctricas
No renovables: Centrales nucleares
Combustibles fósiles: Centrales de ciclo combinado (quemadores de gas natural) Centrales de turbo-gas Fallos comunes en el suministro de energía eléctrico
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3.2.4 Apagón eléctrico
Un corte de energía se define como una condición de tensión cero en la alimentación eléctrica que dura más de dos ciclos (40 ms). Puede ser causado por el encendido de un interruptor, un problema en la instalación del usuario, un fallo en la distribución eléctrica o un fallo de la red comercial. Esta condición puede llevar a la pérdida parcial o total de datos, corrupción de archivos y daño del hardware.
3.2.5 Ruido eléctrico
El ruido eléctrico de línea se define como la Interferencia de Radio Frecuencia (RFI) e Interferencia Electromagnética (EMI) y causa efectos indeseables en los circuitos electrónicos de los sistemas informáticos. Las fuentes del problema incluyen motores eléctricos, relés, dispositivos de control de motores, transmisiones de radiodifusión, radiación de microondas y tormentas eléctricas distantes. Los picos de alta tensión ocurren cuando hay repentinos incrementos de tensión en pocos microsegundos. Estos picos normalmente son el resultado de la caída cercana de un rayo, pero pueden existir otras causas también. Los efectos en sistemas electrónicos vulnerables pueden incluir desde pérdidas de datos hasta deterioro de fuentes de alimentación y tarjetas de circuito de los equipos. Son frecuentes los equipos averiados por esta causa.
3.2.6 Consumo de energía y eficiencia energética
Los aparatos eléctricos cuando están funcionando generan un consumo de energía eléctrica en función de la potencia que tengan y del tiempo que estén en funcionamiento. En España, el consumo de energía eléctrica se contabiliza mediante un dispositivo precintado que se instala en los accesos a la vivienda, denominado contador, y que cada dos meses revisa un empleado de la compañía suministradora de la electricidad anotando el consumo realizado en ese período. El kilovatio hora (kWh) es la unidad de energía en la que se factura normalmente el consumo doméstico o industrial de electricidad. Equivale a la energía consumida por un aparato eléctrico cuya potencia fuese un kilovatio (kW) y estuviese funcionando durante una hora.
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3.3 INTEGRACION DE LA ENERGIA EOLICA EN LA RED ELECTRICA Para que la energía eólica se desarrolle en cualquier país en más de un 20% de la energía eléctrica producida media a lo largo del año, cada país debe tener una red de energía eléctrica avanzada, es decir, debe ser una red eléctrica moderna que permita el almacenamiento de energía y que esté bien equilibrada en todos los nodos eléctricos del país y que además permita que pequeños generadores (como viviendas particulares) puedan participar en el sistema eléctrico del país. Se está investigando para desarrollar la tecnología necesaria para integrar la energía eólica en la red de energía eléctrica, lo cual supondría que la energía eólica fuera la principal fuente de energía, dentro del consumo de energía primaria de un país (actualmente lideran las energías fósiles). 3.4 TIPOS DE AEROGENERADORES La máquina que hace posible que hoy en día se hable de energía eólica como una fuente de energía, es el aerogenerador. Éstos han ido evolucionando para adaptarse a distintas necesidades a lo largo de los años. Los distintos aerogeneradores que existen son:
Aerogenerador de eje vertical: es el concepto original de aerogenerador dentro de la energía eólica, ya que permite colocar el tren de potencia (multiplicadora, generador eléctrico, etc) en la base del aerogenerador, facilitando así la instalación de estos aerogeneradores. Las palas de este aerogenerador están girando en un plano paralelo al suelo.
Aerogenerador de eje horizontal: es el concepto para producir energía
eólica que se ha implantado a lo largo de los años. Consiste en colocar el tren de potencia en la parte superior junto al eje de giro de la turbina eólica. Las palas de este aerogenerador están girando en un plano perpendicular al suelo.
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4.0 DESARROLLO DEL PROYECTO
4.1 La energía eólica
Para obtener los mejores resultados de este instructivo sobre cómo hacer energía
eólica casera, en primer lugar es conveniente preguntarnos qué es la energía
eólica y cómo funciona, así que repasemos algunos conceptos.
Los generadores eólicos, también llamados generadores de viento, son utilizados
para transformar la energía cinética del viento en energía eléctrica. Por lo tanto, la
energía eólica es la que se consigue a partir de la energía cinética generada por el
viento.
Se trata de una energía renovable, no produce CO2, no produce ningún tipo de
contaminación o residuo contaminante, se puede producir en cualquier espacio, es
fácil de obtener y muchas otras cosas más. Normalmente, los generadores están
compuestos por las partes que detallaremos a continuación...
http://www.ojocientifico.com/2011/05/31/como-hacer-energia-eolica-casera
4.2 ¿Cómo se realiza la producción de energía eólica?
Corresponde al punto de base de todo el aerogenerador. La torre, es un mástil de
muchos metros de largo, en algunos casos poseen hasta cien metros. En la parte
superior de la torre, se encuentra la góndola, conectada al rotor, conformado por
tres aspas que se mueven gracias a las masas de aire. Algo muy importante y
fundamental de los aerogeneradores es que siempre deben poseer un
transformador, para lograr que los mismos funcionen mediante electricidad. Dentro
de la torre del aerogenerador, existen distintas partes que ayudan y complementan
el trabajo de los mismos, teniendo en cuenta que esto representa una de las
características más destacadas de la producción de energía eólica. Una de las
partes más importantes son las escaleras que conectan cada piso de la torre con
otro, constan de muchísimos escalones, un promedio de veinte escalones por
piso.
http://www.energiasolar.ws/generacion/produccion-energia-eolica.html
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4.3 Producción de energía eólica
esta energía proviene de fuentes naturales como el sol y el viento ésta último es
consecuencia del sol, ya que el calor que emite con sus rayos a la tierra y es el
responsable de los cambios de presión y de temperatura, entonces se forman las
nubes y se producen los vientos que además tienen que ver en gran medida con
el terreno, si es zona de montaña, de llanuras o praderas, o de zonas húmedas
como las ribereñas de los ríos. Para la produccion de energia eolica se buscan
lugares que fueron estudiados minuciosamente con anterioridad, para la
generación de la energía eólica, generalmente son lugares alejados de las
ciudades, como puede ser un valle o zonas de alta montaña, o las llanuras en
dónde la potencia del viento es mayor, para poder efectuar la producción de
energía eólica.
http://www.energiasolar.ws/generacion/produccion-energia-eolica.html
4.4 Los generadores de viento
El principio es bastante simple. Tan sólo imagínate un gran ventilador que en vez
de utilizar electricidad para producir viento, funciona de la manera opuesta, es
decir: el viento hace que su rotor gire y esta rotación es utilizada para generar
energía eléctrica.
http://www.ojocientifico.com/2011/05/31/como-hacer-energia-eolica-casera
4.5 Partes de un generador eólico
Los generadores están compuestos por un rotor, que incluye hojas utilizadas para
convertir la energía del viento en rotación de baja velocidad. Un generador, que
incluye el generador eléctrico, algunos controles electrónicos y una caja de
cambios para convertir la rotación de baja velocidad en rotación de alta velocidad
y también tienen una estructura de soporte.
La estructura de soporte se incluye en la torre y dependiendo del tamaño, también
pueden tener un mecanismo de viraje.
http://www.ojocientifico.com/2011/05/31/como-hacer-energia-eolica-casera
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4.6 Funcionamiento de un aerogenerador
El aerogenerador consta de varias partes un esquema general de cómo funciona
el aerogenerador esta dado por la siguiente figura:
Palas del rotor: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido al viento.
Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.
Caja de engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la frecuencia de
giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso para entregarle al
generador una frecuencia apropiada para que este funcione.
Generador: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en energía
eléctrica.
Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el
funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de
servicio de la energía eléctrica, alguno de ellos son:
Controlador electrónico: que permite el control de la correcta orientación de las
palas del rotor, también en caso de cualquier contingencia como
sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.
Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una temperatura
prudente.
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Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la velocidad del
viento y la dirección de este respectivamente.
Están conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales
adecuadamente.
http://web.ing.puc.cl/power/alumno03/alternativa.htm#_¿Que_es_la_energía_eolic
a?
4.7 Generación de la electricidad en los aerogeneradores
Los aerogeneradores pueden producir energía eléctrica de dos formas:
en conexión directa a la red de distribución convencional o de forma aislada.
Las aplicaciones aisladas por medio de pequeña o mediana potencia se utilizan
para usos domésticos o agrícolas (iluminación, pequeños electrodomésticos,
bombeo, irrigación, etc.), Incluso en instalaciones Industriales para desalación,
repetidores aislados de telefonía, TV, instalaciones turísticas y deportivas, etc. Se
acumula la electricidad en baterías de acumulación.
También se utilizan aerogeneradores de gran potencia en instalaciones aisladas:
desalinización de agua marina, producción de hidrógeno, etc.
La conexión directa a la red viene representada por la utilización
de aerogeneradores de potencias grandes (más de 10 ó 100 kW). Estos
autogeneradores se ubican en los parques eólicos.
Los avances en la aerodinámica han incrementado el rendimiento de
los aerogeneradores del 10 hasta el 45%. En adecuados emplazamientos, con
vientos medios anuales superiores a los 5 m/s a 10 metros de altura, se consiguen
producciones eléctricas anuales por metro cuadrado de área barrida superiores a
los 1.000 kW/h.
20
El tamaño medio de los grandes aerogeneradores es de 600-1.300 kW con rotores
de 40 metros de diámetro. Existe una tendencia generalizada hacia las máquinas
tripala, que representan más del 80% de los aerogeneradores instalados.
Los nuevos diseños buscan, asimismo, la reducción del impacto visual y la
disminución del ruido aerodinámico.
http://www.voltimum.es/cm.jsp?cat=21&subcat=0&action=view&viewmode=details
&brand=&cmid=7550&universe=manufacturer.articuloseolica.energiaeolica&pagen
umber=2
4.8 Control de potencia en los aerogeneradores
Pitch controlled
También llamados por regulación de ángulo de paso, el controlador electrónico
lleva un registro de las potencias entregadas por el aerogenerador, si la potencia
entregada pasase un valor nominal el controlador hace que el ángulo por donde se
recibe el viento cambie de posición lo que hace que cambie el área efectiva por
donde pasa el viento y por lo tanto disminuye su potencia absorbida, en el caso
que la potencia recibida es muy chica se hace el procedimiento contrario
Stall controlled
Denominados también regulados por perdida de aerodinámica, las palas del rotor
están fijas al eje, las palas del rotor han sido aerodinámicamente diseñadas de tal
manera que a medida que aumenta la velocidad del viento se produce paridad de
potencia por turbulencias y así se regula la potencia generada.
Por alerones
Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin embargo
esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es sola usada
en generadores de baja potencia.
http://web.ing.puc.cl/power/alumno03/alternativa.htm#_¿Que_es_la_energía_eolic
a?
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4.9 Factores que influyen en la cantidad de potencia del viento
La energía eólica es aprovechada por nosotros básicamente por un sistema de un
rotor que gira a medida que pasa viento por este.
La potencia del viento depende principalmente de 3 factores:
Área por donde pasa el viento (rotor)
Densidad del aire
Velocidad del viento
Para calcular la formula de potencia del viento se debe considerar el flujo másico
del viento que va dado por:
Densidad del viento
Área por donde pasa el viento
Velocidad del viento
Entonces el flujo masico viene dado por la siguiente expresión:
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Entonces la potencia debido a la energía cinética esta dada por:
http://web.ing.puc.cl/power/alumno03/alternativa.htm#_¿Que_es_la_energía_eolic
a?
4.10 Comparación entre las potencias
El grafico muestra las potencias del viento, la extraída por el rotor y la potencia
transformada a electricidad.
La extraída por el rotor esta limitada por la ley de Betz y la transformada a
electricidad esta limitada por la eficiencia del generador.
Como la potencia entregada dada por el generador eólico depende de la velocidad
del viento la eficiencia va ha depender también de la velocidad del viento
registrándose eficiencias máximas del orden de 44%
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Hay que tener además bien en claro que para la lograr una eficiencia alta como la
que sale aquí es necesario muchos gastos que aumentarían el costo de producir
un Kw. mas, por lo tanto máxima eficiencia no implica menor costo de generación.
http://web.ing.puc.cl/power/alumno03/alternativa.htm#_¿Que_es_la_energía_eolic
a?
4.11 Algunas consideraciones con respecto al viento
Como la mayoría de las personas saben el viento no siempre se mantiene
constante en dirección y valor de magnitud, es más bien una variable aleatoria,
algunos modelos han determinado que el viento es una variable aleatoria con
distribución weibull como la que muestra la siguiente figura
Dado que la energía del viento depende la velocidad del viento, ¿Cual seria la
energía potencia que entrega el viento?
Para calcular la potencia promedio que es aprovechada por el rotor debemos usar
la llamada ley de Betz que es demostrada de la siguiente manera:
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Supongamos que la velocidad a la que entra el viento al tubo de corriente es de
valor V1 y a la velocidad que sale es de V2, podemos suponer que la velocidad a
la que el viento entra al aerogenerador es de (V1+V2)/2.
El flujo másico que entra al rotor entonces tiene valor de:
Dado que en tubo de corriente se debe conservar la potencia, la potencia que
entra a velocidad V1 tiene que ser igual a la suma de la potencia que sale a
velocidad V2 y la que se va por el rotor.
Entonces la potencia que se va por el rotor es:
Protor=
Y remplazando la masa nos queda:
P = ( /4) (v12 - v22) (v1+v2) A
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La potencia que lleva el viento antes de llegar al rotor viene dado por:
P0 = ( /2) v13 A
Ahora si la comparamos con la potencia que lleva el viento nos da la siguiente
grafica:
Cuyo máximo viene dado por 0.59 aproximadamente, es decir la máxima potencia
que se puede extraer del viento es de 0.59 veces esta potencia.
http://web.ing.puc.cl/power/alumno03/alternativa.htm#_¿Que_es_la_energía_eolic
a?
4.12 Beneficios
Los beneficios de construir un generador de energía eólica son muchísimos: en
primer y más importante lugar, estarás haciendo la diferencia en la lucha contra el
calentamiento global; tus tarifas de electricidad bajarán su valor o, en algunos
casos, serán eliminadas; si eres talentoso en proyectos como este, incluso hasta
podrías llegar a hacer algunos generadores para venderlos y toda la experiencia
será realmente gratificante.
http://www.ojocientifico.com/2011/05/31/como-hacer-energia-eolica-casera
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5. DESARROLLO DEL PROYECTO
La energía eólica es la energía obtenida por el movimiento del viento, que hace girar aspas de los molinos. Estos mediante un sistema de engranaje multiplican enormemente la velocidad del giro de un generador eléctrico. Utilidad La energía obtenida de los aerogeneradores de gran potencia, y los parques
eólicos puede ser utilizada
Calefacción Refrigeración Calentamiento de agua Alumbrado y diversos usos eléctricos en áreas apartadas, especialmente de
viviendas rurales Alimentar sistemas de telecomunicaciones
Bombeos de agua (Por una parte se utilizan para sacar agua de los pozos un tipo
de eólicas llamados aerobombas)
FUNCIONAMIENTO
Los aerogeneradores o turbinas eólicas producen electricidad utilizando la fuerza
natural del viento para mover un generador eléctrico.
Casi todos los aerogeneradores que producen electricidad constan de un rotor con
palas o aspas que giran alrededor de un eje horizontal. Éste está unido a un
conjunto de transmisión mecánica o multiplicadora y, finalmente, a un generador
eléctrico, ubicados ambos en la barquilla suspendida en lo alto de la torre.
Los principales componentes de un aerogenerador son:
rotores,
3 palas en el rotor (casi todos ellos),
palas fabricadas en fibra de vidrio con refuerzo de poliéster o epoxi,
funcionamiento con velocidades de rotor constantes o variables,
control de potencia automático según velocidad de viento, con parada a muy
altas velocidades (seguridad mecánica): a través del ángulo de la pala (pitch)
o de su propia aerodinámica (stall),
utilización mayoritaria de multiplicadoras y, en algunos casos, de transmisión
directa eje-generador,
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orientación automática siguiendo la dirección variable del viento (sensores
para monitorización),
torres tubulares fabricadas en acero y generalmente pintadas de gris claro.
El diámetro de la turbina el parámetro crucial: a mayor longitud de pala, mayor
área barrida y mayor energía producida.
La energía producida por un aerogenerador varía en función del potencial propio
del emplazamiento (función cúbica de la velocidad de viento), de la disponibilidad
de la propia máquina (capacidad de operar en presencia de viento: típicamente
por encima del 98%) y de la disposición de las máquinas en el parque (efecto
estela: negativo de unas sobre otras).
Además de los parques eólicos onshore, se construyen parques eólicos en el mar
(offshore), a varios kilómetros de la costa, con el objeto de minimizar su impacto
medioambiental (impacto visual) y, sobre todo, de aprovechar las mejores
condiciones de viento al desaparecer el efecto negativo del relieve. En estas
instalaciones se instalan máquinas de mucha mayor potencia, que las de onshore.
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6. PROCESO EXPERIMENTAL
Maqueta de turbina eólica
Materiales
Un Generador eléctrico este debe de ser un tamaño pequeño
Una hélice a escala para ponerlo en el generador
Una base para el generador eléctrico
Cable de doble polaridad su identificación es porque son de dos colores
diferentes
Un foco con base
Un cautín y soldadura
Paso a paso ejecutado en el desarrollo
Descripción
Registro Fotográfico
Primero se coloca la base del tubo a una madera para soportar el generador.
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Luego se le abre unos huecos al tubo para unir el generador con el tubo que es el soporte, y limamos la rebaba de los huecos.
Luego pasamos unos alambres que nos va a servir para tener al generador con el pedestal. Luego amarramos el pedestal con el generador para que no se nos vaya a soltar Luego soldamos los cables con las terminales del generador con ayuda del generador. Luego vamos a instalar la elice para el generador
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Luego le hacemos prueba a la elice para ver que no se le suelte al generador y listos para seguir armando la maqueta con las demás cosas a agregar.
RESULTADOS ESPERADOS
Para nosotros como estudiantes, el poder desarrollar un tipo de proyecto como
este fue muy interesante, ya que pusimos a prueba nuestro ingenio y capacidad
para solucionar los inconvenientes que se presentan a lo largo de la elaboración
de un trabajo como este.
Lo que queremos lograr con este proyecto, es exponer a la comunidad educativa,
cómo la Física en general nos brinda infinidad de herramientas, aplicables a
nuestra vida cotidiana, con el único propósito de contribuir al desarrollo de nuestra
sociedad en muchos aspectos.
Finalmente basándonos en uno de los pilares de nuestra universidad, queremos
ilustrar como la transformación de la Energía Eólica a Energía Eléctrica, resulta
algo muy beneficioso para la sociedad y por sobre todo para la conservación y
cuidado del medio ambiente.
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7. CONCLUSIONES
1. En la elaboración de este proyecto es notoria la aplicación de la física
mecánica en cualquier campo que se quiera desarrollar, en este caso la
transformación de energía y sus clases, la generación de energía eléctrica
con energías renovables y limpias.
2. El aprovechamiento y el adecuado uso de los diferentes tipos de energía
existentes en nuestro planeta, a contribuido significativamente, al desarrollo
de nuestra sociedad y al mejoramiento de la calidad de vida del hombre,
por tal razón consideramos importante tener al menos un poco de
información de los diferentes mecanismos utilizados para la transformación
de la energía.
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5. BÚSQUEDA BIBLIOGRÁFICA
http://www.economiadelaenergia.com/
http://es.wikipedia.org/wiki/Energiaelectrica
