INTRODUCCIÓN
Ecuador es un país que cuenta con
varias energías limpias como: la hidráulica, fotovoltaica, eólica y biomasa
para la producción de electricidad, pero en la actualidad, la que lidera es la
hidroeléctrica para la provisión a nivel nacional, este método de producir
electricidad es el más común y al realizar un análisis del crecimiento de la
población y el asentamiento en las zonas rurales, las cuales se encuentran
alejadas del Sistema Nacional Interconectado (SNI), ente encargado de
distribuir y comercializar la energía eléctrica a todo el país, se evidencia la
falta de cobertura a todos estos sectores, es imperativo investigar y diseñar
nuevas alternativas para la generación de electricidad, promoviendo el uso de
las energías renovables o energías limpias para la producción de electricidad;
un claro modelo de los recursos naturales que posee el Ecuador para la
generación eléctrica es la energía eólica. Es por ello, que se presenta la
propuesta tecnológica definida como la implementación de un mini sistema de
generación eléctrica a través de energía eólica como fuente de energía
renovable, el cual tendrá como principal objetivo el aprendizaje
teórico-práctico por parte de los estudiantes de la Carrera de Ingeniería
Electromecánica de la Universidad Técnica de Cotopaxi Extensión La Maná.
MATERIAL Y MÉTODOS
Los
materiales y suministro que se requiere para la implementación del mini sistema
eólico son: turbina eólica, rectificador, inversor, banco de baterías, tubos,
equipos de protección (breakers), cables, toma corriente.
El
funcionamiento de un aerogenerador empieza cuando este convierte la energía
cinética del viento por medio del rotor y las aspas, para luego transformar
esta energía cinética en energía eléctrica, la suma de energía transportada al
rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del
rotor, y de la rapidez del viento. Para derivar la fórmula conveniente:
Considere la figura 6 sucesiva en que una cierta aglomeración llamada masa m de
aire cruza las palas de rotor en un tiempo.
Construcción
de la estructura metálica
Para
la realización de la estructura se utilizará un tubo perfilado de hierro
galvanizado de 20 mm x 20 mm de espesor, se lo construirá de forma robusta para
equilibrar el peso de los componentes que estarán en la plancha de madera tipo
MDF de 20 mm de ancho. La estructura de MDF estará sujetada con tornillos al
tubo perfilado de tal manera que se hará las respectivas perforaciones en el
MDF para la impregnación de los componentes.
Montaje
del vinil en la plancha de MDF
El
proceso de fijación de vinil en el MDF, se empieza por mantener limpio el sitio
de trabajo, libre de residuos evitando deformaciones, para la respectiva
aplicación del vinil se realizará en húmedo que es el método recomendado para
la impregnación del adhesivo en grandes superficies esparciendo agua con jabón.
Luego con una espátula se excluirá las burbujas de agua quedando liso el vinil.
Conexión
y cableado interno de los equipos y elementos
Las
conexiones y derivaciones de conductores se realizarán por medio de borneras y
en las uniones se soldará para una conductividad eléctrica estable y segura. Se
utilizará conectores banana hembra para conectar los equipos y elementos para
su respectivo funcionamiento.
Figura 1. Medición del flujo mensual del viento
ANÁLISIS
DEL FLUJO DEL VIENTO SOBRE LAS HÉLICES
Con
los datos obtenidos del flujo del viento (ver figura 1) en el sitio a instalar
el aerogenerador, se procede a introducir los mismo en un software de simulación
para analizar los efectos en las hélices del generador, como se puede observar
en la figura 2, lo cual nos permite visualizar el desplazamiento de la
velocidad del viento en cada una de las 6 hélices, provocando así una rotura de
la inercia y consecutivamente la transformación de la energía cinética en
energía mecánica, a la vez se puede observar que el viento una vez que realiza
el trabajo de generar el movimiento a las hélices, tiende a salir del área del
barrido por todos los lados adyacentes, formando así un mínimo remolino entre
sí para luego desplazarse nuevamente al ambiente, mientras que ese porcentaje
mínimo que no ingresó al área de giro continuo sigue su camino de manera
normal. Se puede observar el comportamiento del viento sobre el área del giro
de las hélices, la dirección adecuada para generar el movimiento entre las 6
aspas o hélices y consiguiente a ello su dirección de disipación hacia el
ambiente.
Figura
2.
Análisis del flujo del viento sobre las hélices
A
continuación, se presenta la tabla 1 las propiedades volumétricas estáticas de
las hélices referente a la velocidad del viento del mini sistema de generación
eólica, el cual gira 360°, lo que permite aprovechar al máximo el flujo del
viento, ilustrado en la figura 3.
Figura
3.
Análisis Estático- Tensiones
|
NOMBRE
|
TIPO
|
Mínimo
|
Máximo
|
|
Tensiones
1
|
Von:
Tensión de von Misis
|
4.328e+03
N/m2
Nodo:
9549
|
2.414e+08
N/m2
Nodo:
7258
|
Tabla
1.
Análisis Estático- Tensiones.
Diseño
experimental.
Diagrama
de bloque del funcionamiento del mini aerogenerador
De
acuerdo al diagrama de bloques mostrado en la figura 4, el módulo posee las
siguientes etapas: el aerogenerador como fuente de energía eléctrica en
corriente alterna trifásica, el convertidor de AC a DC para su posterior
acumulación, un banco de baterías como elemento almacenador, un inversor DC a
AC que permitirá utilizar la energía almacenada como si de una toma de la red
eléctrica se tratase, y finalmente un tomacorriente para conectar la carga.
Figura
4.
Diagrama de bloques del sistema
Diseño
del módulo
Se
realizó el diseño en un software CAD (Computer Aided Design) con las siguientes
medidas que son de (80 cm de largo x 24,4 cm de ancho) que es la medida de la
plancha MDF, se trabajó para que tenga simetría cada componente de medición y
realizar las respectivas conexiones de pruebas, lo cual se podrá ver en el
diseño que estará impregnado en el tablero (figura 5). Se escogió el cable
color rojo para la fase (AC) y positivo (CC), y el cable color negro para el
neutro (AC) y negativo (CC), además se utilizará el cable color negro para la
salida de la corriente trifásica del mini aerogenerador.
Figura
5.
Esquema del aerogenerador
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En
este capítulo se exteriorizará todos los resultados obtenidos de los
componentes, herramientas y software a utilizar en el sistema de generación de
energía eólica (aerogenerador), el cual tendrá en cuenta los parámetros y
puntos críticos, en este caso si es necesario en el diseño. de la torre la
ejecución de cálculos afines que estén realmente correlacionados con los datos
obtenidos, mientras que los resultados serán de gran utilidad para poder
determinar los elementos o partes del sistema de generación eólica con el fin
de obtener resultados correctos y precisos gracias a un banco que asegura su
funcionamiento de forma segura.
Mediante
muestras de pruebas de viento con un medidor de flujo, como el anemómetro, se
ejecutó durante 4 meses, desde el mes de octubre 25, noviembre, diciembre hasta
enero 31, tomando datos cada hora desde las 6 am hasta las 12 am con 18h
diarias por 99 días con un total de 1881 muestras, de las cuales se evidenció
que en el mes de noviembre se registra mayor flujo de viento en la zona, en la
Universidad Técnica de Cotopaxi Extensión La Maná, lo que permitió conocer las
especificaciones ideales para el diseño del aerogenerador.
CONCLUSIONES
Mediante la adquisición de datos obtenidos
con el anemómetro, se obtuvo un nivel promedio de viento como mínimo es de 2.4 m/s
y como máximo llega a 4.2 m/s durante un tiempo de 4 meses, los mismos que
mediante el análisis se estableció como valores aceptables para la generación
eléctrica.
Se concluye que en base a la simulación
realizada en SolidWorks se pudo establecer la característica de la torre para
una altura de 10 metros sobre el nivel del suelo, misma que es apta para captar
la energía del viento, ya que no interfiere con estructuras aledañas en el área
de implementación. Mediante los cálculos realizados se pudo obtener el número
de hélices correctas como 6 para la implementación del mini sistema de
generación eléctrica, en base a la simulación en SolidWorks se estableció la
fuerza del viento en las hélices como adecuada para la generación.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Aguilar Roddy. 2017. «Banco De Pruebas
Didáctico Para Sistema De Energía Eólico». Trabajo De Graduación Previo A La
Obtención Del Título De Ingeniero Electrónico, Universidad Del Azuay, Cuenca.
Alvear Mario. 2012. «Diseño De Un Generador
Eólico Tipo Savonius De Uso Doméstico De 200 W.» Tesis Previa A La Obtención
Del Título De Ingeniero Mecánico, Universidad Politécnica Salesiana Facultad De
Ingeniería, Quito.
Barragán. 2014. «Generación Eólica En
Ecuador: Análisis Del Entorno Y Perspectivas De Desarrollo». 2014, enero 31,
58-66.
Calvopiña Juan. 2016. «“Análisis Del
Potencial Eólico Y Solar Para La Implementación De Un Sistema Híbrido De
Generación Eléctrica De Carga Unifamiliar De 800w En La Comunidad De Uñacallo -
Pansache Provincia De Cotopaxi En El Periodo 2016”».
Clavería Gabriel. 2016. «“Diseño,
Construcción Y Prueba De Funcionamiento De Un Sistema De Ensayos De Turbinas
Eólicas De Baja Potencia”». Trabajo De Titulación Para Optar Al Título De:
Ingeniero Civil Mecánico, Universidad Técnica Federico Santa María,
Valparaíso-Chile.
Cortés Simón. 2017. «Energías Renovables En
Colombia: Una Aproximación Desde La Economía». 2017, diciembre, 389.
Duchi Victor. 2015. «Diseño E Implementación
De Un Sistema De Aero Generación De Flujo Turbulento Para La Obtención De
Energía Eléctrica Para Una Vivienda En El Sector De Pasachi, El Morro, Cantón
Latacunga, Provincia De Cotopaxi, Periodo Académico 2014-2015». Tesis De Grado
Previa Obtención Del Tîtulo De: Ingeniero Electromecánico, Universidad Técnica
De Cotopaxi, Latacunga.
Endara Luis. 2011. «“Construcción De Un
Generador Eólico De Bajas Revoluciones Por Minuto Para Una Vivienda Rural,
Ubicada En El Sector De Pansachí El Morro Perteneciente A La Parroquia Mulaló
Del Cantón Latacunga Provincia De Cotopaxi”». Tesis De Grado Para Optar Al
Titulo De Ingeniero Electromecánico., Universidad Técnica De Cotopaxi,
Latacunga.
Espitia Carolina. 2014. «Diseño Y
Construcción De Un Mini Aerogenerador De Eje Vertical». Programa De Ingeniería
En Mecatrónica, Universidad Militar Nueva Granada, Bogota D.C.
García Octavio. 2017. Aplicaciones Térmicas
De La Energía Solar En Los Sectores Residencial, Servicios E Industrial.
México: Biblioteca Nacional De México.
Mayorga Alex. 2015. «Caracterización De
Pequeños Sistemas Conversores De Energía Eólica Pertinentes Para Provisión De
Electricidad En La Parroquia García Moreno, Provincia De Tungurahua, Año 2013.
Diseño De Un Aerogenerador De Baja Potencia Para Producción Nacional.» Programa
De Maestría En Gestión De Energías, Universidad Técnica De Cotopaxi, Latacunga.
Merino Luis. 2007. Energías Renovables. Vol.
1. España: Iberdrola. Montalvo Iván, Cabezas José. 2011. «Diseño De Prototipo
De Aerogenerador Con Almacenamiento De Energía Monitoreado Por Un Sistema
Scada». Universidad San Fransisco De Quito, Quito.
Muños Marlon. 2013. «“Diseño E Implementación
De Un Sistema De Generación Eléctrica Con Un Aerogenerador Para La Vivienda
Rural Sostenible De Interés Social Del Aeirnnr.”» Universidad Nacional De Loja,
Loja.
Orozco Juan. 2013. «Soportes Para Pequeños
Aerogeneradores: Método De Selección». 2013, 10.
Sánchez Juan. 2015. «Diseño De Un Banco De
Pruebas Para El Estudio De Generadores Eólicos». En Opción Al Grado De Maestría
En Ingeniería Aeronáutica Con Orientación En Dinámica De Vuelo, Universidad
Autónoma De Nuevo León Facultad De Ingeniería Mecánica Y Eléctrica, San Nicolás
De Los Garza, Nuevo León,.
Sandoya Unamuno Adrian David, Chica Martinez
Leonel, Ordoñez Raul Gustavo, Y Arias Zambrano Lorena Jenny. 2018. «Nec Norma
Ecuatoriana De Construcción (Instalaciones Eléctricas)».