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DISEÑO DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN EXTERIOR EMPLEANDO UN ROTOR EÓLICO TIPO SAVONIUS PARA ASISTIR EN LA ILUMINACIÓN DEL
PARQUEADERO DE MOTOS.
GUSTAVO ADOLFO AFRICANO ZÁRATE 20131074013
CRISTIAN CAMILO CASTAÑEDA AGUDELO 20131074014
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
DISEÑO DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN EXTERIOR EMPLEANDO UN ROTOR EÓLICO TIPO SAVONIUS PARA ASISTIR EN LA ILUMINACIÓN DEL
PARQUEADERO DE MOTOS.
CRISTIAN CAMILO CASTAÑEDA AGUDELO 20131074014
GUSTAVO ADOLFO AFRICANO ZÁRATE 20131074013
MONOGRAFÍA PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO MECÁNICO
TUTOR
CAMILO ARIAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
Agradecimientos a nuestros padres por su apoyo incondicional, a nuestro tutor Camilo Arias por su guía y asesoramiento en este trabajo, así como a Don Alfonso y Juan Camilo Rosas por su ayuda desinteresada para la terminación de este proyecto
CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS .............................................................................................. 7
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................ 8
ÍNDICE DE GRAFICAS ........................................................................................... 9
LISTA DE SÍMBOLOS ........................................................................................... 10
RESUMEN ............................................................................................................. 11
ABSTRACT ............................................................................................................ 12
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 13
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 14
1.2 OBJETIVOS .............................................................................................. 16
1.2.1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................... 16
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................. 16
1.3 ESTADO DEL ARTE................................................................................. 17
1.3.1 Panorama internacional ..................................................................... 17
1.3.2 Ámbito nacional y local ....................................................................... 18
1.3.3 Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de 60 W, para suministro eléctrico de zonas urbanas9 (Lugo Daniel & Bejarano Laura) ...... 19
1.3.4 Diseño de una iluminaria para la ciudad de Bogotá alimentada por energía eólica10 (Quintero Catalina) ............................................................... 20
1.3.5 Diseño y construcción de un mini aerogenerador de eje vertical11 (Espitia Carolina & Puerto Lilian) .................................................................... 21
1.3.6 Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical para generación de baja potencia12 (Orduz Oscar & Suarez Julian) ............ 22
1.3.7 Diseño de un generador eólico de eje vertical de baja potencia, Universidad Tecnológica de Pereira 13(Torres Daniela).................................. 23
1.3.8 Diseño de detalle de un generador eólico tipo savonius, Escuela de Ingeniería de Antioquia14 (Arbeláez Natalia & Ochoa Daniel) ......................... 24
2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 26
2.1 Potencial eólico ..................................................................................... 26
2.2 Generador eólico ...................................................................................... 27
2.2.1 Clasificación de los generadores eólicos ........................................... 27
2.3 Turbina Savonius ...................................................................................... 29
2.4 Potencia del viento ................................................................................... 29
2.5 Velocidad específica (TSR) ...................................................................... 30
2.6 Modelo de Gouriérés ................................................................................ 32
2.7 Multiplicador .............................................................................................. 34
2.7.1 Transmisiones Flexibles ..................................................................... 35
2.7.2 Transmisiones rígidas ........................................................................ 36
2.8 Generador eléctrico .................................................................................. 37
2.8.1 Generadores por inducción ................................................................ 37
2.8.2 Generadores Sincrónicos ................................................................... 37
2.9 Controlador de carga de viento ................................................................. 38
2.10 Baterías ................................................................................................. 39
2.10.1 Factores que determinan una batería ............................................. 40
2.10.2 Dimensionamiento de una batería .................................................. 41
2.11 Inversor.................................................................................................. 42
2.12 Elementos de consumo ......................................................................... 42
2.12.1 Eficiencia luminosa ......................................................................... 43
2.12.2 Factores a tener en cuenta ............................................................. 43
2.12.3 Factores de selección de un LED ................................................... 43
2.13 Conexiones eléctricas y controladores .................................................. 44
2.14 Sensores y controladores ...................................................................... 44
3. METODOLOGÍA ............................................................................................. 45
3.1 Dimensionamiento y selección ................................................................. 45
3.2 Instalación ................................................................................................. 45
3.3 Pruebas .................................................................................................... 45
4. DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN ... 46
4.1 Medición de velocidad del viento versus revoluciones por minuto del rotor 46
4.1.1 Daños inesperados ............................................................................ 47
4.1.2 Reparaciones ..................................................................................... 49
4.2 Mejoras y nuevas mediciones ................................................................... 50
4.2.1 Medición de las revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento en el rotor Savonius reforzado ............................................................. 51
4.2.2 Medición del Torque de arranque en función de la velocidad del viento en el rotor Savonius reforzado ........................................................................ 52
4.3 Configuración del sistema de iluminación ................................................. 54
4.4 Selección y dimensionamiento de la transmisión ..................................... 55
4.4.1 ALTERNATIVAS ................................................................................ 56
4.4.2 Tipo de transmisión: Cadena piñón. ................................................... 57
4.4.3 Cantidad de eslabones ....................................................................... 60
4.5 Evaluación y selección del generador eléctrico ........................................ 62
4.5.1 Alternador ........................................................................................... 62
4.5.2 Alternador modificado ........................................................................ 63
4.5.3 Generador PMA para vientos bajos ................................................... 65
4.6 Potencial energético del rotor savonius bajo simulación TRNSYS 17 ...... 66
4.6.1 Velocidad del viento con los datos meteorológicos de TRNSYS ....... 67
4.6.2 Coeficiente de potencia del generador ............................................... 68
4.6.3 Potencia útil en el eje del rotor ........................................................... 69
4.7 Energía producida por el generador eólico ............................................... 73
4.7.1 Consumo ............................................................................................... 74
4.8 Dimensionamiento de la batería ............................................................... 78
4.9 Selección de la batería ............................................................................. 80
4.10 Selección del inversor ........................................................................... 80
4.11 Selección del programador .................................................................... 81
4.11.1 Alternativas de selección del programador .......................................... 82
4.12 Selección de la iluminación ................................................................... 83
5. INSTALACIÓN Y MONTAJE .......................................................................... 86
6. COSTOS DE FABRICACIÓN ......................................................................... 89
7. RESULTADOS ............................................................................................... 90
7.1 Funcionamiento ........................................................................................ 90
7.2 Potencia generada y eficiencia del sistema mediante pruebas experimentales ................................................................................................... 90
7.3 Tiempo de iluminación .............................................................................. 91
8. CONCLUSIONES ........................................................................................... 93
RECOMENDACIONES .......................................................................................... 95
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 96
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Mayor capacidad instalada y acumulada de energía eólica para el año 2015 ....................................................................................................................... 17
Figura 2. Generador Savonius ............................................................................... 29 Figura 3. Velocidad de punta de las palas. ............................................................ 31 Figura 4. Coeficiente de potencia en función de velocidad especifica. .................. 31 Figura 5. Parámetros para la relación de traslape ................................................. 33 Figura 6. Transmisión de 8 velocidades de un tractor case (IH/WT) ..................... 36
Figura 7. Driver para LED ...................................................................................... 44
Figura 8. Elementos con fallo por fatiga ................................................................. 47 Figura 9. Fisura por fatiga ...................................................................................... 48
Figura 10. Alabe fuera de lugar y rasgadura .......................................................... 48 Figura 11. Alabe reforzado con estructura de solera ............................................. 49 Figura 12. Angulo de hierro zincado y alambre tensor gruesa ............................... 49
Figura 13. Montaje de alabes ................................................................................ 50 Figura 14. Tacómetro, anemómetro y reloj ............................................................ 51 Figura 15. Anemómetro y dinamómetro digital ...................................................... 52
Figura 16. (a) Esquema montaje dinamómetro, (b) fuerza, torque y radio vista superior del eje ...................................................................................................... 53
Figura 17. Montaje para medición .......................................................................... 53 Figura 18. Esquema del sistema de iluminación .................................................... 55 Figura 19. Generador con adaptación de piñón ..................................................... 57
Figura 20. Adaptación y protección PMA ............................................................... 58
Figura 21. Transmisión por cadena más tensor en la parte inferior del rotor Savonius ............................................................................................................................... 61 Figura 22. Banco de alternadores .......................................................................... 62
Figura 23. (a) Retirando bobinado del rotor y (b) torneando rotor.......................... 63 Figura 24. Alternador con imanes cerámicos y de neodimio ................................. 64 Figura 25. Prueba en banco de alternadores ......................................................... 64
Figura 26. Esquema en TRNSYS 17. .................................................................... 66 Figura 27. Luz nocturna automática ....................................................................... 82 Figura 28. Programador semanal .......................................................................... 83 Figura 29. Reflector LED de 20W Tipo IP65 .......................................................... 84
Figura 30. Caja con ranuras para ensamblar el generador .................................... 86
Figura 31. Conexiones de elementos de control. ................................................... 87
Figura 32. Esquema del sistema ............................................................................ 88 Figura 33. Sistema en funcionamiento ................................................................... 88
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Medición vientos facultad tecnológica horas de la tarde .......................... 26 Tabla 2. Características de las turbinas eólicas más comunes.............................. 28
Tabla 3. Tipos de baterías ..................................................................................... 39 Tabla 4.Tipos de LED ............................................................................................ 43 Tabla 5. Matriz de selección de tipo de transmisión .............................................. 57 Tabla 6. Valores de referencia para piñones intermec de paso= ½. ...................... 59 Tabla 7. Valores de K, según sea la cantidad D. ................................................... 60
Tabla 8. Matriz de decisión generador ................................................................... 65
Tabla 9. Parámetros de aumento de tasa de flujo ................................................. 67 Tabla 10. Producción mensual (Wh) para un año. ................................................. 74
Tabla 11. Producción, consumo y diferencia mensual ........................................... 75 Tabla 12. Producción, consumo y diferencia mensual ........................................... 76 Tabla 13. Producción, consumo y diferencia mensual ........................................... 78
Tabla 14. Matriz de decisión para batería .............................................................. 80 Tabla 15. Matriz de decisión inversor .................................................................... 81 Tabla 16. Matriz de selección del programador semanal. ...................................... 83
Tabla 17. Corriente, voltaje y potencia en los acoples eléctricos ........................... 85 Tabla 18. Intensidad de corriente máxima admisible en función de la sección del cable AWG ............................................................................................................. 85 Tabla 19. Costos de fabricación ............................................................................. 89
ÍNDICE DE GRAFICAS
Gráfica 1. Revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento ................ 46 Gráfica 2. Revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento ................ 51
Gráfica 3. Torque de arranque en función de la velocidad del viento .................... 54 Gráfica 4. Curva de alternadores ........................................................................... 63 Gráfica 5. Curva corriente y voltaje en función de las revoluciones ....................... 66 Gráfica 6. Velocidad del viento en función del tiempo en horas durante un año ... 68 Gráfica 7. Coeficiente de potencia en función de la velocidad especifica .............. 69
Gráfica 8. Potencia útil en función de la velocidad del viento ................................ 70
Gráfica 9. Potencia generada en función de la velocidad del viento ...................... 71 Gráfica 10. Eficiencia total del sistema en función de la velocidad del viento ........ 72
Gráfica 11. Potencia generada en función del tiempo en horas durante un año ... 73 Gráfica 12. Eficiencia total del sistema en función de la velocidad del viento ........ 90 Gráfica 13. Potencia generada en función de la velocidad del viento .................... 91
LISTA DE SÍMBOLOS
P Potencia [W]
V Velocidad [m/s]
Α Parámetro de forma [-]
Β Parámetro de escala [-]
A Área de la superficie del rotor (m2)
Cp Coeficiente de potencia [-]
Ρ Densidad del aire [kg/m3]
Pav Potencia mecánica aprovechada del rotor [W]
λ0 Velocidad especifica (Tip Speed Ratio) [-]
u0 Velocidad de la punta de las palas [m/s]
V Velocidad del viento delante del motor [m/s]
D Diámetro del rotor [m]
R Radio del rotor [m]
N Revoluciones por minuto [rpm]
Qd Consumo medio diario [Ah/día]
Wd Energía media diaria [Wh/día]
Un Tensión nominal de sistema de acumulación [V]
Cn Capacidad de la batería [Ah]
PDmax Profundidad de descargar [%]
A Días de autonomía del sistema [días]
ηinversor Eficiencia del inversor [-]
ηregulador Eficiencia del regulador [-]
ηBatería Eficiencia de la batería [-]
ηconectores Eficiencia de los conectores [-]
Td Tiempo de uso diario [h]
Ta Tiempo de final de autonomía [h]
RESUMEN
En el siguiente proyecto se realizó el dimensionamiento y la construcción de un sistema generador de electricidad adaptado a un rotor Savonius, para asistir en la iluminación del parqueadero de motos de la Facultad Tecnológica. Inicialmente se efectuó un diagnóstico del rotor y generador eléctrico allí dispuestos, posteriormente se realizó la evaluación del potencial energético del rotor, mediante una simulación de proceso transitorio en el software TRNSYS 17. Luego se realizó una selección de los elementos que componen el sistema de iluminación, con base a los resultados de la simulación y las características del rotor. Finalmente se adquirieron los componentes y se realizó el ensamblaje del sistema, con el fin de realizar mediciones y comparar los resultados con los de la simulación.
ABSTRACT
In the next project sizing and construction of an electricity generating system adapted to a Savonius rotor, to assist in the lighting of the parking Motorcycle Technological Faculty it was made. Initially a diagnosis of rotor and generator arranged there was effected, then the evaluation of the energy potential of the rotor was performed using a simulation of transient process in the software TRNSYS 17 a selection of the elements of the lighting system was then performed, based on the simulation results and characteristics of the rotor. Finally the components were acquired and system assembly was performed, in order to perform measurements and compare the results with the simulation.
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INTRODUCCIÓN
El presente proyecto se refiere a la utilización de la energía eólica a partir de un generador Savonius que no tenía un sistema que permitiera aprovechar la potencia captada por el mismo, lo cual estaba generando un desaprovechamiento de éste recurso energético utilizable, potencia la cual sería de beneficio en un Sistema de iluminación.
Debido a esta problemática mencionada, se procede al dimensionamiento y construcción de un sistema de iluminación, que use la energía eólica a partir del generador Savonius, con el fin de asistir en la iluminación del parqueadero de motos de la facultad tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, aprovechando que las turbinas eólicas de eje vertical representan una buena alternativa a la hora de suplir pequeños consumos energéticos, debido a características como funcionamiento a bajas velocidades de viento y aprovechando el carácter multidireccional de éste.
Éste proyecto inició evaluando el rotor Savonius existente, con el objetivo de determinar las características de funcionamiento del mismo, las cuales son: la velocidad de giro y torque en función de la velocidad del viento, además en función de la selección de sus elementos y sus correspondientes eficiencias, se procede a usar esos datos y modelarlos bajo el modelo de Gouriérés, en el simulador TRNSYS 17, para hallar la cantidad de energía aprovechable a partir del viento en función de los datos meteorológicos de Bogotá y el índice de rugosidad correspondiente a las condiciones de la zona.
Al tener la energía aprovechable, se permitió conocer el tiempo de consumo aproximado, debido a esto se concluye la iluminación para tiempos menores a los esperados, por lo tanto la selección de una batería 12 V 40 Ah. Es decir que la energía para extraer desde el generador no es la suficiente para consumos prolongados.
Al realizar las pruebas pertinentes del rotor cargado, se determina que el modelo de Gouriérés presenta similitud en los resultados de potencia útil obtenida en función del viento, por lo tanto es un método recomendable en estudios de éste tipo.
Por otro lado, se determina que el área de impacto de la iluminación no es la esperada, porque el rotor se encuentra significativamente lejos del área de parqueo, sin embargo el apoyo lumínico es evidenciado en la zona del parqueadero más cercana al sistema de generación, además ésta zona es la más alejada de la red de iluminación de la universidad.
14
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El rotor Savonius ubicado en la Facultad Tecnológica presenta una alternativa de solución energética frente a aplicaciones como la iluminación; sin embargo, éste no cuenta con un sistema que permita aprovechar la potencia captada por el mismo, lo cual está generando un desaprovechamiento de éste recurso energético utilizable.
Por lo cual, se propone el uso de éste dispositivo fabricado por estudiantes de semestres pasados para el diseño de un sistema de generación de energía eléctrica que aporte en la iluminación del parqueadero de las motos durante la jornada nocturna, de esa forma beneficiando a los usuarios del parqueadero con dicho ayuda lumínica.
15
1.1 JUSTIFICACIÓN
El rotor eólico existente recibe cinética del viento la que se transforma en energía mecánica aprovechable; sin embargo, al no contar con un sistema de acumulación y aprovechamiento de esta energía, se desperdicia y no está siendo aprovechada.
Se propone entonces, el diseño e instalación de un sistema de aprovechamiento de la energía mecánica para la generación eléctrica a partir del rotor tipo Savonius, con el fin de producir energía necesaria para asistir a la iluminación del parqueadero de motos de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital durante un intervalo en horario nocturno.
Por otro lado, este proyecto busca tener un impacto social que muestre que la energía eólica proporciona una solución económica, sustentable y de sencilla aplicación, para aquellas personas que requieran iluminar áreas donde el sistema de alumbrado público no llega; haciéndolo de una forma amigable con el medio ambiente.
16
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema de generación eléctrica que utilice como generador el rotor eólico tipo Savonius para asistir en la iluminación del parqueadero de motos de la Facultad Tecnológica.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
● Determinar el área de impacto de iluminación en función de la selección de los componentes del sistema como transmisión de potencia, regulador, alternador y baterías para una duración aproximada entre 4 y 6 horas
● Instalar los componentes que hacen parte del sistema de acuerdo a los parámetros de selección.
● Desarrollar pruebas en estado transitorio de los elementos instalados
● Presentar en una revista indexada los resultados más relevantes del trabajo con el objeto de poner en discusión los resultados más relevantes.
17
1.3 ESTADO DEL ARTE
1.3.1 Panorama internacional
En la actualidad como señala Abhishiktha Tummala et al.1 Varios países industrializados han instalado grandes parques eólico tanto a en tierra como en la costa, con el fin de satisfacer su demanda energética. Tal es el caso que en el informe de la Global Wind Statistics2 la matriz energética eólica a nivel mundial al final del 2015 era liderada por China con una capacidad instalada de alrededor de 145.104 MW de energía eólica que contribuye al 33,6% de la potencia eólica total, seguido de EE.UU., Alemania, España y la India, que producen 74.471 MW, 44.974 MW, 23.205 MW y 25.088 MW, respectivamente, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Mayor capacidad instalada y acumulada de energía eólica para el año 2015
Fuente 1. GLOBAL WIND COUNCIL. GLOBAL WIND STATISTICS.
___________________
1 Tummala A., Velamati RK., Sinha DK., Indraja V., Krishna VH. A review on small scale wind turbines. En: Revista ELSEVIER (Renew Sustain Energy),2015, Vol.56. p.1352.
2 GLOBAL WIND ENERGY COUNCIL. GLOBAL WIND STATISTICS.En: Revista Journal of Chemical Information and Modeling. 2016. p.1691.
18
Los gráficos anteriores evidencian el aumento de los grandes parques eólicos en países desarrollados como por ejemplo el parque Stateline Wind Project en EEUU, parque eólico Tauren en Alemania, el complejo eólico andevalo en España, el Alashankou en china entro otros, que ocupan grandes extensiones de tierra con el fin de sacar el máximo provecho.
Por otro lado, para países en vía de desarrollado el uso de esta tecnología a gran escala para estar a la vanguardia en el uso de energías renovables representa un costo que no pueden asumir, por esta razón desde hace pocos años ha surgido un interés por el estudio y comportamiento de pequeñas turbinas eólicas con el fin de suplir pequeños consumos para comunidades alejadas, lo cual no representa un alto costo.
En el ámbito académico se han realizado diferentes estudios en cuanto a las turbinas eólicas a pequeña escala como una forma alterna de generación de energía para pequeñas aplicaciones como el diseño de Arbeloa Lorena y Zurita Jesus3 de un generador savonius de 100 W para la comunidad de Villacollo en Bolivia o el diseño y construcción de Cueva Luis4 de un savonius de 20 W en la ciudad de Quito, así mismo se han realizado otros proyectos de mayor envergadura tal es el caso de los aerogeneradores del edificio Torre de la Perla río en Guangzhou, China, diseñado para ser el edificio más alto de mayor eficiencia energética en el mundo según Q.S. Li , Z.R. Shu , F.B. Chen5 o el diseño de Argatov Ivan y Shafranov Valentin6 de una cometa de bombeo para la extracción de energía eléctrica en Berlín Alemania.
1.3.2 Ámbito nacional y local
En el caso nacional el uso de la energía eolia se ha visto limitado a los pocos recursos destinados a este tipo de energías, debido a que en el momento el país no cuenta con las costosas tecnologías de punta que poseen países como China, EEUU y Alemania. Esto se puede observar con el bajo porcentaje de participación de esta energía a nivel nacional pues este cuenta con un 0.12% correspondiente a 19,5 MW del suministro total del sistema interconectado nacional. Otro factor que evidencia lo antes mencionado es el funcionamiento del único parque eólico “Jepirachi” que fue construido en el 2004 con una capacidad instalada, muy limitada, de 19,5 MW y que se encuentra en la Guajira, ya que es una zona con un potencial eólico alto.
____________________
3 Sola LA., Zurita J. DISEÑO DE UN AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL TIPO SAVONIUS PARA ELECTRIFICACIÓN RURAL. Escuela tecnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicacion, 2012.
4 Cueva L. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN GENERADOR EOLICO DE EJE VERTICAL TIPO SAVONIUS PARA PRODUCIR 20 WATTS. ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL, 2015
5 Li QS., Shu ZR., Chen FB. Performance assessment of tall building-integrated wind turbines for power generation. En: Revista ELSEVIER, Appl Energy, 2016, Vol.135. p. 777-788.
6 Argatov I., Shafranov V. Economic assessment of small-scale kite wind generators. En: Revista ELSEVIER,Renew Energy.2016, Vol.89. p.125-134.
19
Por otra parte, a nivel privado según Castillo York, et al.7 algunas entidades han instalado sistemas aislados de aerogeneradores de menos de 5 KW, medidores y molinos de vientos en diferentes regiones del país. Otros usos que se le ha dado a la energía eólica como lo menciona Álvaro Pinilla8 es el bombeo de agua mediante diseños locales como la Aerobomba Gaviotas dotada con una bomba de doble efecto o el molino de viento Gavilán cada uno dotado con sus propias innovaciones, a su vez mas tarde se ha llevado el desarrollo de autobombas como la Jober que es de uso comercial y que se fabrica actualmente en Duitama.
Por el momento UPME a mediano plazo se prepara para el diseño de un parque eólico en la misma zona de la Guajira con un potencial de 400 MW así como proyectos en el norte de Santander, Cesar y el Magdalena para un aporte de 100 MW.
Teniendo en cuenta el panorama nacional antes mencionado, para países en desarrollo como Colombia para Abhishiktha Tummala, et al.1 la mejor opción disponible es mediante la instalación del sistema de red descentralizada, es decir, mediante el uso de turbinas eólicas a pequeña escala. Este tipo de turbina se caracteriza por la baja potencia que genera, debido a que su función es suplir las necesidades domésticas de una comunidad pequeña o de un hogar, como es el caso de la zona no interconectada del país (ZNI).
A nivel académico se ha encontrado que varias universidades han realizado estudios, diseños, prototipos y simulaciones de diferentes turbinas a pequeña escala con el fin de suplir necesidades básicas de ciertas comunidades, instrumentación de los campus o alumbrado, entre estos documentos se puede mencionar los siguientes apartados.
1.3.3 Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de 60 W, para suministro eléctrico de zonas urbanas9 (Lugo Daniel & Bejarano Laura)
En este trabajo realizado por estudiantes de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en el año 2015 aborda el análisis, diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de 60 W para el suministro de energía en zonas urbanas.
___________________
7 Castillo Y., Castrillón Gutiérrez M., Vanegas-Chamorro M., Valencia G., Villicaña E. Rol de las Fuentes No Convencionales de Energía en el sector eléctrico colombiano. En: Revista sciELO, 2015; vol.13. p.46.
8 Pinilla A. El poder del viento. Wind power. En: Revista sciELO, 2008, p. 64-69.
1 Tummala. Op. Cit., p.1.
9 Lugo D., Bejarano L. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE TURBINA EOLICA DE 60W, PARA SUMINISTRO ELECTRICO DE ZONAS URBANAS. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CLADAS, 2015.
20
El documento está divido en cinco ítems los cuales abarcan la determinación del potencial eólico del lugar, la selección de la turbina, el diseño del generador eólico, la fabricación del mismo y por último los resultados obtenidos así como el costo de fabricación.
Importantes elementos que se pueden extraer de este trabajo es primero que el potencial eólico que se determinó (mediante instrumentación) corresponde al del campus de la universidad (Facultad Tecnológica) encontrándose valores de velocidad entre un rango de 2 y 4 m/s, por lo cual para efectos de diseño se decidió por una velocidad media de 3,5 m/s. El segundo elemento que cabe resaltar es la selección del generador tipo savonius debido a factores como funcionamiento a bajas velocidades, poco costo, tamaño y confiabilidad en el diseño.
Por otro lado, para cumplir con la potencia de 60 W se observó que se excedería el tamaño óptimo de diseño por lo cual se replanteo el mismo para que el generador proporcione 10 W de potencia para cumplir con los requerimientos del diseño. Además cabe resaltar que se tuvo en cuenta una selección del alternador de acuerdo a factores como baja velocidad y torque llegando a la conclusión que la mejor opción es un generador síncrono de bicicleta con un voltaje de 48 V y una potencia de 350 W. También, es importante resaltar que la selección que se realizó para el sistema de transmisión, teniendo en cuenta condiciones como mantenimiento, costo, armonía y tamaño llevo a la conclusión de que la mejor opción es la transmisión por cadena.
Por último, se concluye que con la velocidad media de viento que se maneja en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital, que es de 3,5 m/s no es factible pensar en un prototipo que genere una potencia media de 60 W, pues requeriría un área muy grande, que generaría problemas de fabricación e instalación. Además se tiene que el prototipo genera 10 W de potencia con el rango de velocidad media antes mencionado solo para efectos de realizar pruebas al sistema de carga de una batería de celular. Por tal razón es necesario diseñar un sistema funcional que recolecte la energía en todo momento para usos en otras aplicaciones.
1.3.4 Diseño de una iluminaria para la ciudad de Bogotá alimentada por energía eólica10 (Quintero Catalina)
En este documentos de grado de diseño industrial para el año 2009, Quintero busca "diseñar una luminaria para la ciudad de Bogotá, alimentada por energía eólica", en él se plantea un diseño que debe tener la interacción social, el cuál debe complementar la innovación, la sostenibilidad y el consumo.
___________________
10 QUINTERO CORTES C. DISEÑO DE UNA LUMINARIA PARA LA CIUDAD DE BOGOTA ALIMENTADA POR ENEGIA EOLICA. Universidad javeriana, 2009. p.1-3.
21
Sin embargo, el trabajo de Quintero tiene un aspecto de más carácter de observación del ámbito social, como la disponibilidad del espacio urbano, las necesidades de los ciudadanos, y cómo estas afectan directamente el desarrollo de ésta clase de proyectos, como se puede ver en la siguiente cita: "La necesidad surge a partir de los pocos beneficios que recibimos del espacio público en Bogotá. La ciudad está pensada como un espacio de tránsito donde prácticamente solo nos desplazamos, está tiende a privatizar todo espacio de entretenimiento o área de comunicación" 10.
Por lo anterior, el anterior proyecto carece de aspectos técnicos, basados en cálculos, es decir; no se puede apreciar el proceso de diseño y construcción, por eso el documento anterior se tendrá en cuenta sólo para el posible impacto social que ésta clase de proyectos puedan traer consigo en el entorno urbano.
1.3.5 Diseño y construcción de un mini aerogenerador de eje vertical11 (Espitia Carolina & Puerto Lilian)
Por otro lado, Espitia Carolina y Puerto Lilian de ingeniera mecatrónica en la Universidad Militar Nueva Granada para el año 2014 diseñaron un mini generador de eje vertical el cual busca alimentar energéticamente una casa ubicada en Cajicá, la cual tiene una potencia requerida de 25 KW/h por mes. Al tener en cuenta que el rotor es de eje vertical y que éste trae ventajas como girar con vientos en cualquier dirección, a diferencia de los de eje horizontal.
Durante el desarrollo del mini generador, se observa que obtienen un generador Delco Remy de 12 V 63 A y se hacen modificaciones al estator con imanes de Neodimio. También se observa que se realizó un sistema electrónico que muestra el nivel de carga de la batería.
En las conclusiones, se determina que el prototipo construido puede suplir las necesidades de una casa en el área rural, sin embargo en el área urbana no suple todas las necesidades, como se puede observar en las conclusión "La potencia lograda con este prototipo no alcanza a suplir las necesidades de una vivienda
promedio"11 por lo tanto, para optimizar el funcionamiento de este tipo de
aerogeneradores y aprovechar el recurso eólico disponible en las diferentes regiones de nuestro país se debe seguir con todas las etapas de diseño, construcción, experimentación que pueden brindar una visión para continuar investigando y hacer las mejoras correspondientes.
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10 IBID. p.17
11 ESPITIA C., PUERTO L. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MINI AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL. UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA, 2015.
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1.3.6 Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical para generación de baja potencia12 (Orduz Oscar & Suarez Julian)
En este trabajo se realiza el diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical (tipo Darrieus) por ingenieros mecánicos de la universidad industrial de Santander en el año 2011, con el fin de generar electricidad de baja potencia. En él se platea los aspectos generales del diseño del rotor de eje vertical con base a la investigación y la aplicación de los principios de funcionamiento de este tipo de máquinas.
El documento está organizado de manera que primero se aborda un marco teórico en el cual se describen teorías y principios para el cálculo de la potencia del viento, la medición del viento, la eficiencia energética de estas máquinas, las eficiencias en la conversión de energía y el estudio de elementos que hacen parte del generador eólico como lo es el alternador y el rectificador.
Posteriormente, se hace un estudio del análisis del recurso energético en el lugar objetivo para entrar, luego en el desarrollo del prototipo de donde se determina como primera medida la velocidad media del viento (7 m/s) así como la potencia de diseño para una potencia requerida de (50 W). Con estos datos obtenidos teniendo en cuenta las diferentes variables involucradas en el cálculo se procede al dimensionamiento y fabricación del rotor, las condiciones aerodinámicas, el diseño y elaboración del generador para proporcionar un voltaje de 12 V. Un factor que cabe resaltar es que en este diseño no se tuvo en cuenta una relación de trasmisión con el fin de mejorar la eficiencia global del sistema y evitar las pérdidas mecánicas por parte de estos dispositivos.
Como tercer ítem el documento aborda las diferentes pruebas realizadas al prototipo y los resultados obtenidos como una generación de 44 W operando a regímenes de viento de 10 m/s.
Para finalizar, los autores concluyen que no se obtuvieron los resultados esperados puesto que no se logró la potencia requerida de 50 W en el rango de viento medio. Lo que supone que se logró cerca del 20% de la expectativa de diseño (11 W a 7 m/s). Esto debido a factores como perdidas presentes en el sistema de conversión, así como la selección de algunos factores de diseño y la misma fabricación del alternador. Sin embargo, el documento destaca que se puede utilizar esta energía en dispositivos de bajo consumo como LED’S, y acompañado de un sistema de baterías para su utilización en algunas de las necesidades domesticas junto con otros sistemas de generación alternativos.
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12 ORDUZ O., SUAREZ L. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE TURBINA EOLICA DE EJE VERTICAL PARA GENERACION DE BAJA POTENCIA. UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, 2011.
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1.3.7 Diseño de un generador eólico de eje vertical de baja potencia, Universidad Tecnológica de Pereira 13(Torres Daniela).
En este trabajo de grado en el año 2015 Torres propone aprovechar el potencial eólico de la Universidad Tecnológica de Pereira mediante el análisis, diseño y simulación CAD de un aerogenerador de eje vertical tipo savonius. El documento está distribuido en seis capítulos en los cual se especifica en detalle cada uno de los pasos del análisis, diseño y simulación CAD del prototipo pues cabe aclarar que el documento no tiene como objetivo una construcción del generador sino una simulación CAD de los cálculos realizados en el diseño.
Lo más importante que se puede extraer del documento es que el estudio del potencial eólico de la zona donde se va a instalar el generador, se realizó mediante atlas, datos y fórmulas para el cálculo de vientos con base a lugares que están cercanos al punto de análisis, sin embargo estos cálculos tienen cierta incertidumbre por lo cual que se pueden tener moderadas variaciones si se compara con otros métodos, ya que como se observó en otros documentos la mejor forma de conocer el potencial eólico es hacer la medición de los vientos en el propio lugar mediante instrumentos de medición como anemómetros. Al final del análisis se obtiene que la velocidad nominal con la cual se realizará el diseño es de 4,2 m/s.
Otro factor importante es que el generador eólico tendrá una potencia útil de 3 W y será el encargado de convertir la energía eólica en mecánica para posteriormente, mediante un generador eléctrico entregar la energía suficiente para cargar una batería comercial de 12 V 5 Ah utilizada en dispositivos de comunicación, UPS y equipos médicos.
También cabe mencionar que en comparación con otros trabajos, en la conversión de la energía mecánica en eléctrica se tiene en cuenta un sistema transmisión (multiplicador de velocidad de engranes cónicos) y la selección de un generador eléctrico y no de su fabricación lo cual tiene ciertas ventajas como mayor confiablidad y eficiencia si se compara con los generadores caseros. Para ello se eligió un generador de imanes permanentes marca I&A, modelo PMG200-0.05 KW/200 RPM, que cumple con los requisitos de su diseño, adicionalmente se usa un controlador marca Listen, modelo LWLR01/12V que permite ajustar las condiciones de salida, y que es necesario para llevar a cabo el proceso de carga de la batería.
Al final del trabajo se concluye que la validación con las simulaciones CAD del generador eólico y sus componentes mediante el modelado de las piezas para la simulación del paso del fluido por el aerogenerador y la mecánica del sistema; demuestra que los materiales y dimensiones del aerogenerador, permitirán que éste soporte las tensiones y cargas a las cuales estará sometido.
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13 TORRES D. DISEÑO DE UN GENERADOR EÓLICO DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA. universidad tecnologica de pereira, 2015.
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1.3.8 Diseño de detalle de un generador eólico tipo savonius, Escuela de Ingeniería de Antioquia14 (Arbeláez Natalia & Ochoa Daniel)
En este documento de grado realizado por ingenieros mecatrónicas de la Escuela de Ingeniería de Antioquia en el año 2013, se busca aprovechar el potencial eólico en las instalaciones de la EIA (Escuela de Ingeniería de Antioquia) sede Palmas mediante el diseño, desarrollo y simulación CAD/FEA de un generador tipo savonius. La selección de este tipo de maquina se basó en la necesidad de trabajar a bajas velocidades de viento presentes en este lugar y la baja altura en dicho escenario, lo cual fue un soporte principal para definir las necesidades y las condiciones del diseño conceptual.
El documento está organizado en seis capítulos de tal forma que se explica todo lo referente a la energía eólica (vientos, tipos de vientos, historia etc.), los diferentes tipos de generadores eólicos, la potencia que se puede generar con esta máquinas, la medición del potencial eólico, los componentes de este tipo de generadores así como el cálculo y diseño del generador savonius y los elementos que hacen parte de este como la transmisión, el generador eléctrico, el regulador, entre otros.
Con el proyecto se busca la generación de energía a partir de bajas velocidades como la hallada en las instalaciones de la IEA (3.88 m/s) con el fin de que genere al menos 7 W de potencia promedio. El resultado final que se halló con el diseño del
aerogenerador es que con un área de barrido de 2 𝑚2, dispuesta en una altura de 2 m y diámetro de 1 m, se logró producir 8,09 W.
Aspectos importantes que se pueden extraer de este documento son que sistema cuenta con una trasmisión de engranes rectos, como mejor opción, y una descripción detallada de diseño del sistema eléctrico en sus fases de funcionamiento principales: generación, rectificación, filtrado y almacenamiento de energía eléctrica.
En el caso de la generación se realizaron los cálculos pertinentes para un generador síncrono de imanes permanentes de flujo axial con el cual se tuvo en cuenta factores como la frecuencia (60 Hz) y el voltaje de salida (120 V), para conseguir datos relevantes como el número de polos por plato (12), el número de bobinas (18 bobinas),
la sección del cable (2,62 𝑚2), el número de espiras (25), y el tipo de imanes utilizados (imanes de neodimio), entro otros factores. Además, los autores mencionan que con este tipo de dispositivo se logra una mayor eficiencia, debido a que no necesita de una corriente de excitación. Por otro lado en el caso de la rectificación y filtrado se realizaron los cálculos correspondientes para los voltajes de salida para así obtener los datos necesarios como la capacitancia (330 microfaradios) y la inductancia (30 mH).
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14 JARAMILLO N., OCHOA D. DISEÑO EN DETALLE DE UN GENERADOR EÓLICO TIPO SAVONIUS. ESCUELA DE INGENERIA DE ANTIOQUIA, 2013.
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Para finaliza el documento concluye que la simulación que se realizó con la herramienta CFD resalta que los resultados obtenidos mediante la simulación por elementos finitos no difieren en más de un 10% con respecto a los cálculos analíticos del mismo lo cual demuestra que los análisis de cargas dinámicas, estáticas y vibraciones están dentro de los valores óptimos por lo cual queda la posibilidad de la implementación física del dispositivo.
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2. MARCO TEÓRICO
Dado que el objeto central de este proyecto está centrado en el dimensionamiento y la construcción de un sistema de iluminación utilizando un rotor savonius, es necesario tener en cuenta ciertos conceptos que son fundamentales a la hora de la análisis y el desarrollo del proyecto como lo son el potencial eólico, la turbina savonius, potencia del viento, la velocidad específica, modelo de Gouriérés, entre otros; que se explicaran en profundidad en las siguientes secciones.
2.1 Potencial eólico
Se entiende por potencial eólico o recurso eólico a la determinación de los valores representativos del viento como velocidad y dirección para un lugar determinado.
Para el caso de Facultad Tecnológica Lugo Daniel & Bejarano Laura9 determinaron con los datos de la estación meteorológica de la Universidad las condiciones del viento presentan con un promedio de velocidad de 3.33 m/s durante las horas de la tarde en 9 meses para el año 2014 y 2015 como se puede apreciar en la Tabla 1.
Tabla 1. Medición vientos facultad tecnológica horas de la tarde
Fuente 2. Lugo Daniel & Bejarano Laura, Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de 60w, para suministro eléctrico de zonas urbanas.
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9 Lugo D., Bejarano L. Op. Cit., p.30.
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En vista de que el generador eólico que se encuentra dispuesto en la Facultad Tecnológica es de eje vertical y de tipo arrastre se tiene que la dirección del viento no es de importancia, ya que este tipo de generador funciona con cualquier dirección. Por tal motivo para este proyecto no se va a tener en cuenta este parámetro.
2.2 Generador eólico
Los aerogeneradores como lo menciona Alfonso Johnny y Orjuela Juan15 son aparatos que se disponen para captar de la manera más eficiente posible la energía cinética del viento. Estos dispositivos esta formados por lo general por los siguientes componentes:
● Rotor: Es el que aloja a los álabes, se encarga de captar la energía cinética del viento, y es el que se conecta al eje de baja velocidad si requiere de multiplicador de velocidad, o en algunos casos determinados por el generador, se hace directamente a éste.
● Transmisión: Es un multiplicador de velocidad que se compone mínimo de 2 ejes de transmisión conectados por correas, engranes o cadenas, y que tiene una relación de transmisión apta para obtener una velocidad de giro optima en el generador.
● Generador: Aparato encargado de convertir parte de la energía de rotación del eje de alta velocidad del multiplicador y convertirla en energía eléctrica.
2.2.1 Clasificación de los generadores eólicos
Las máquinas eólicas son dispositivos que permiten el aprovechamiento de la energía eólica por lo cual existen varias tipos de esto aparatos, los cuales se pueden clasificarse según la posición de su eje, y por el tipo de fuerza que las impulsen sea ésta fuerza de arrastre o de sustentación. Muños Luis16 define las fuerzas de sustentación y arrastre de la siguiente manera:
● Sustentación: Se entiende por sustentación a la componente de la fuerza que actúa sobre un cuerpo sumergido en un fluido, como el aire, la cual es perpendicular a la dirección de movimiento relativa del fluido.
● Arrastre: Se entiende por arrastre a la componente de la fuerza que actúa sobre un cuerpo sumergido, la cual es paralela a la dirección del movimiento del fluido.
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15 Alfonso J., Orjuela J. Sistema conversor de energía eólica de baja potencia. diseño y construcción del prototipo. Industrial de santander, 2008. p.45.
16 Luis M. ARRASTRE Y SUSTENTACIÓN DE CUERPOS SUMERGIDOS. Disponible en: www.fisicaeingeneria.es. Consultado [30 marzo del 2016].
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Dicha clasificación se puede observar en la Tabla 2.
Tabla 2. Características de las turbinas eólicas más comunes
Fuente 3. Hernan de Battista, Las turbinas eólicas
A su vez Abhishiktha Tummala, et al.1 propone otra clasificación para las turbinas eólica que está basada en disposición del eje de rotación como se a continuación.
Turbinas de eje vertical: las turbinas eólicas de eje vertical son aquellas cuyo eje del rotor está en disposición vertical. Estas turbinas no necesitan mecanismo de direccionamiento y algunos cuentan con la posibilidad de arrancar automáticamente. La ubicación de estas turbinas está por lo general a la altura del suelo, por lo que sus rangos de operación de velocidad de viento y altura son bajos, lo que facilita las labores de mantenimiento.
Turbinas de eje horizontal: Las turbinas eólicas de eje horizontal son aquellas cuyo eje del rotor está en disposición horizontal, estrictamente requieren de mecanismos de direccionamiento. Esta clase de turbinas cuando tienen grandes tamaños afectan al medio ambiente al provocar precipitaciones y calentamiento de la superficie. Y manejan eficiencias entre el 40% y 45%.
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1 Tummala. Op. Cit., p.1354-1355.
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2.3 Turbina Savonius
Los aerogeneradores Savonius son aerogeneradores de eje vertical basados en la fuerza arrastre. Desde arriba, estas turbinas presentan sección en forma de “S”. En ésta clase de turbinas el viento cuando pasa por sus álabes genera fricción, y ésta diferencia en la fricción que depende de la superficie del álabe ayuda a que estas turbinas giren, pero debido a dicha fricción, la eficiencia de estas turbinas es menor en comparación con otros tipos de turbinas.
Figura 2. Generador Savonius
Fuente 4. Abhishiktha Tummala et al. A review on small scale wind turbines
2.4 Potencia del viento
Para poder cuantificar la potencia del viento para una corriente de aire que fluye a través de un área (A) esta se tiene la Ecuación 1.
𝑃 =1
2𝜌𝐴𝑣3 Ec. (1)
Donde (P) es la potencia disponible en la corriente del viento en vatios, (ρ) es la densidad del aire en kilogramos sobre metros cúbicos, (A) el área de barrido del motor en metros cuadrados y (v) la velocidad del viento en metros sobre segundo.
No obstante, de toda la potencia del viento solo se es aprovechada una parte por la turbina, por ende la eficiencia de una turbina conocida como coeficiente de potencia (Cp) está dada por la Ecuación 2.
𝐶𝑝 =𝑃𝑎𝑣
𝑃 Ec.(2)
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Para el cual (Cp) es el coeficiente de potencia, (P) potencia del viento en vatios, (Pav) es la potencia mecánica útil del eje del rotor en vatios.
De acuerdo a Castejon & Santamaría17 “este coeficiente tiene un máximo teórico determinado por el límite de Betz del 59% , en la práctica no suele superar el 40%, variando del sistema de captación según el cociente entre la velocidad lineal en punta de pala y la velocidad incidente ( coeficiente λ)”. Para el caso de la turbinas savonius y sus diferentes configuraciones, esta cuenta con uno de los más bajo coeficientes de potencia entre los tipos de turbinas, debido a que este generador eólico es de tipo arrastre lo que trae como consecuencia mayor pérdida energética por causa de la fricción.
2.5 Velocidad específica (TSR)
Para la descripción del funcionamiento, el cálculo de la forma y posición optima de las palas del rotor, Franquesa Manuel18 menciona la introducción de una nueva relación denominada velocidad especifica λo que ha demostrado ser de gran utilidad. Este parámetro relaciona la velocidad de la punta de las palas y la velocidad del viento frente del rotor como se muestra en la Ecuación 3.
𝜆0 =𝑢0
𝑣 Ec. (3)
Donde (𝜆0) es la velocidad específica adimensional, (𝑢0) es la velocidad de la punta
de las palas en metros sobre segundo y (𝑣) es la velocidad en frente del rotor en metros sobre segundo. La velocidad de la punta de las palas para una turbina se puede apreciar en la Figura 3.
Este parámetro es útil, ya que según Franquesa18 “las palas de un rotor desarrollan su máxima potencia bajo una determinada velocidad especifica (λo) para las que fueron diseñadas”. Por lo cual el coeficiente de potencia no puede ser considerado una constante sino que dependerá de la velocidad específica momentánea del rotor (λo), por lo que la potencia del mismo es función de la velocidad específica momentánea. Esto resulta ser ventajoso porque sirve para comparar la eficiencia de los diferentes tipos de rotores respecto a su velocidad específica (λo) como se puede apreciar en la Figura 4.
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17 Castejon A., Santamaria G. Instalaciones Solares Fotovoltaicas. EDITEX. Madrid; 2012. p. 208
18 Franquesa M. Introducción a la teoría de las turbinas eólicas. España: LA VERITAT; 2009. p.24.
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Figura 3. Velocidad de punta de las palas.
Fuente 5. Franquesa Manuel. Introducción a la teoría de turbinas eólicas
Figura 4. Coeficiente de potencia en función de velocidad especifica.
Fuente 6. Díez PF. Fundamentos aerodinámicos19
La velocidad específica puede ser calculada a partir de la velocidad de rotación del rotor. Según las leyes de la mecánica, la velocidad de un punto que gira alrededor de un eje está dada por la Ecuación 4.
𝑢0 =2𝜋𝑅𝑛
60 Ec. (4)
__________________
19 Díez PF. Fundamentos aerodinámicos. Univ Cantab. 2008;Vol.1.p.1–135.
32
Siendo (n) es la velocidad de giro del rotor en revoluciones por minuto, (R) es el radio
del rotor en metros y (𝑢0) es la velocidad de metros sobre segundo.
Introduciendo la relación anterior en la Ecuación (6) con R = D/2 se tiene que la velocidad específica está dada por la ecuación 5.
𝜆0 =𝜋𝐷𝑛
60𝑣 Ec. (5)
Donde (D) es el diámetro del rotor en metros, (n) es la velocidad de giro del rotor en
revoluciones por minuto, (v) es la velocidad del viento en metros sobre segundo y (𝜆0) es la velocidad especifica adimensional.
Conociendo la velocidad del viento, la velocidad de giro y el diámetro del rotor, con la Ecuación 5 se puede calcular respectivamente la velocidad específica momentánea.
2.6 Modelo de Gouriérés
Teóricamente se ha tenido la dificultad de encontrar una ecuación que relacione coeficiente de potencia en función de la velocidad de alabe y características del rotor savonius. Varios son los estudios que se han realizado al respecto como Toha y Renha20 con modelos teóricos experimentales que tienen en cuenta ecuaciones de momentum y uso de coeficientes experimentales. Sin embargo el modelo más desarrollado teóricamente es el de Gouriérés21 que propone unas ecuaciones para hallar el coeficiente de potencia en función de la velocidad específica para rotores savonius que cumple con la siguiente relación.
𝑒
𝑑=
1
6 Ec. (6)
Donde (e) distancia de separación entre alabes y (d) diámetro de los alabes. A continuación en la Figura 5 se observa los parámetros para el rotor savonius.
___________________
20OLADE OLDE. AEROGENERACION DE ENERGIA. curso-seminario sobre aerogeneracion Energ. 1981; Vol.1. p.98.
21Le Gourieres D. Wind Power Plants Theory and Design. 1a edición. New york: PERGAMON PRES; 1982. p. 126.
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Figura 5. Parámetros para la relación de traslape
Fuente 7. Autoría propia
Teniendo en cuenta que el rotor debe cumplir la relación de traslape de 1/6, Gouriérés21 propone la Ecuación 7 y la Ecuación 8 para determinar el coeficiente de potencia en función de la velocidad especifica.
𝐶𝑝 = 0,53(𝜆0 − 0,2)(1,7 − 𝜆0) Ec. (7)
Para 0,9< λ0 < 1,6
𝐶𝑝 = 0,5𝜆0 − 0,2𝜆02 Ec. (8)
Para 0 < λ0 < 0,9
Donde (λ0) es la velocidad específica y (Cp) es el coeficiente de potencia
_______________
21 Ibíd. p.127
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2.7 Multiplicador
Debido a que los generadores no alcanzan una velocidad, de rotación, lo suficientemente alta para producir la potencia eléctrica demandada, se hace necesario implementar sistemas de transmisión de potencia que sean eficientes y que sean acordes en costo/beneficio respecto al sistema a emplear. De acuerdo con Mott22 una transmisión mecánica es un sistema que recibe potencia de alguna fuente rotativa como motores, rotores, turbinas o incluso una potencia proporcionada por un operario. También ésta clase de sistemas cuenta con elementos activos que transmitan el movimiento por etapas del eje de entrada al eje de salida, y de éstos elementos activos depende la velocidad de rotación y el torque que llegue a la aplicación, de tal manera, cuando hay una reducción en la velocidad, se incrementa proporcionalmente el torque. Se pueden encontrar transmisiones por bandas, cadenas y engranes.
Para un diseño de una transmisión de potencia, se debe tener en cuenta aspectos como:
Velocidad de la aplicación: Es la velocidad con la cual gira el eje de salida, es decir el eje que se acoplará a la aplicación.
Torque: Momento torsor definido por el producto de la fuerza por una distancia. Como se muestra en la Ecuación 9.
𝑇 = 𝐹𝐷 Ec. (9)
Siendo (T) el torque en newton por metro, (D) la distancia en metros y (F) la fuerza de Newton.
Potencia de la fuente: Potencia otorgada por la fuente motora, la cual puede ser un motor eléctrico, motor de combustión interna, turbina de gas o vapor, motor hidráulico o incluso el movimiento ejercido por un operario.
Potencia requerida: Potencia necesaria que requiere una aplicación, partiendo del torque y la velocidad angular. Como se muestra en la Ecuación 10.
𝑃 = 𝑇𝑤 Ec. (10)
Donde (T) torque en Newton por metro, (w) la velocidad angular en radianes sobre segundo y (P) es la potencia en vatios.
___________________
22 Robert M. DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS. cuarta edi. Mexico: PEARSON Educacion; 2006.
35
Relación de transmisión: es la relación de las velocidades angulares de una etapa de transmisión a otra, además ésta es inversamente proporcional a la variación del torque, es decir, que a mayor velocidad angular se tenga, menor será el torque en la etapa de salida; y éstas se determinan a partir de la relación de los diámetros de los elementos activos de transmisión (poleas, catarinas o piñones). La relación entre los diámetro y las velocidades angulares dan como resultado la relación de transmisión como se muestra en la Ecuación 11.
𝑅𝑇 =𝑤1
𝑤2=
𝐷2
𝐷1 Ec. (11)
Siendo (𝑅𝑇) es la relación de transmisión, (𝑤1) es la velocidad angular en la etapa 1, (𝑤2) es la velocidad angular de la etapa 2, (𝐷2) es la diámetro del elemento en la etapa 2 y (𝐷1) es el diámetro del elemento de la etapa 1.
Factor de servicio: Es un sobredimensionamiento de los elementos de la transmisión, que se hace con el objetivo de tomar en cuenta las posibles sobre cargas a las que se puedan enfrentar los elementos.
Naturaleza de la aplicación: Por lo general, el diseñador cuenta con datos de entrada como son la velocidad (RPM) y torque requerido.
2.7.1 Transmisiones Flexibles
Las transmisiones flexibles principalmente representadas por las transmisiones de bandas y cadenas. Se denominan flexibles porque la distancia entre centros se puede variar dependiendo de las necesidades del usuario. Las bandas trabajan con poleas, mientras que las cadenas trabajan con ruedas dentadas conocidas como catarinas o estrellas; además éstas transmisiones al estar constituidas por elementos normalizados, su dimensionamiento y selección partirá de los catálogos de los fabricantes, dónde se tienen en cuenta parámetros como la naturaleza y capacidades de la fuente de potencia, las características de la aplicación (para determinar un factor de servicio), la relación de transmisión, el espacio disponible para el montaje y la potencia requerida en la aplicación.
Transmisión por bandas
Son transmisiones aptas para altas velocidades, torques moderados, no requieren de lubricación, y al estar constituidas por elementos normalizados, su dimensionamiento y selección partirá de los catálogos de los fabricantes. Poleas, correas y cuñeros.
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Transmisión por cadenas
Son transmisiones aptas a velocidades bajas, torques altos, requieren de lubricación, y al contar con elementos normalizados. De los catálogos se obtiene el dimensionamiento estándar de cadenas, catarinas y cuñeros.
2.7.2 Transmisiones rígidas
Las transmisiones rígidas son constituidas por las ruedas dentadas, las cuales no ofrecen posibilidad de la variación entre la distancia de los ejes de entrada y salida, sin embargo son transmisiones muy compactas y aptas para altas velocidades y altos torques.
Transmisión por tren de engranajes
Los trenes de engranes usan ruedas cilíndricas dentadas, que se usan para transmitir una potencia de rotación expresada en torque y velocidad angular de un eje al otro, además de partir de la ley general del engrane; de ésta manera, éste tipo de transmisiones se asocia generalmente con la reducción de velocidades para aumentar los torques de salida y así ajustarlos a la aplicación. Actualmente en el mercado se pueden encontrar engranes rectos, helicoidales, cónicos rectos, cónicos helicoidales y sinfín corona.
Figura 6. Transmisión de 8 velocidades de un tractor case (IH/WT)
Fuente 8. Robert L. Mott, Diseño de elementos de máquinas
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2.8 Generador eléctrico
Según López Miguel et al.23 Un generador eléctrico es un elemento que transforma la energía mecánica en energía eléctrica mediante el flujo magnético que interactúa entre las dos partes fundamentales de este dispositivo, el rotor y estator.
Los generadores eléctricos se diferencian por el tipo de corriente que generan. Por lo cual, se tiene dos grupos de generadores eléctricos, los dinamos que producen corriente DC, y los alternadores que producen corriente AC.
Las turbinas eólicas tienen como objetivo principal la producción de energía eléctrica, por lo tanto, el estudio y el conocimiento de los tipos de generadores que ese utiliza para este tipo de aplicación se profundizara a continuación.
2.8.1 Generadores por inducción
Los generadores por inducción de acuerdo a López Miguel et al.23 generan corriente alterna, son robustos, sencillos, compactos, y su producción en serie facilita su adquisición económicamente; sin embargo, su principal desventaja es que consume potencia reactiva para mantener magnetizado el estator. Dentro de los generadores por inducción se puede encontrar los generadores de jaula de ardilla (SCIG), los cuales son simples, de altas eficiencias y compensan el consumo de potencia reactiva con el uso de condensadores en paralelo. También se pueden hallar generadores de inducción de rotor bobinado (WRIG), los cuales tienen la posibilidad de cambiar sus características eléctricas exteriormente con las escobillas y anillos, además que el rotor se magnetiza automáticamente. Otro ejemplo es el generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) que es una tecnología en crecimiento, éstos generadores se llaman doblemente alimentados porque toman tensión del estator la cual es tomada de la red y la tensión del rotor del convertidor estático, además éste tipo de generador compensa la variabilidad de velocidad de giro inyectando una señal de frecuencia de rotor variable.
2.8.2 Generadores Sincrónicos
Como lo afirma López Miguel23 son generadores que se usan para potencias menores a los 20 KW, generan corriente alterna y además posee ventajas frente a los de inducción, debido a que éstos no usan corriente reactiva para magnetizar el estator; y ésta magnetización se logra mediante rotor con bobinado de excitación convencional o con el uso de imanes permanentes. Por cuestiones de costo, es más justificable el uso de generadores de imanes permanentes para potencias bajas, debido a que su uso es más simple y económico que el asincrónico.
__________________
23 Lopez M., Vannier J., Sadarnac D., Lopez M., Vannier J., Sadarnac D. SISTEMAS DE CONVERSIÓN EOLICA CONTROL Y DISEÑO. HAL Arch. 2008; p. 1-8.
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Se pueden encontrar en el mercado: Generador sincrónico de rotor bobinado (WRSG) el cual posee la posibilidad de trabajar a velocidad constante, siempre y cuando se conecte a la red, sin embargo para su implementación para velocidades variables se tiene que contar con uno muy robusto y voluminoso. Otro tipo de generador que se puede hallar en el mercado, es el generador sincrónico de imanes permanentes (PMSG), que al tener la facilidad de autoexcitación con los imanes en su estator, posibilita trabajar con potencias hasta de 20KW con altas eficiencias, lo que lo convierte en una buena posibilidad para implementarlo en sistemas de energía eólica; sin embargo, cuando las potencias son mayores a 20KW, los imanes no son capaces de trabajar con toda la potencia generada.
2.9 Controlador de carga de viento
La regulación y el control como se lo menciona Solener24 son imprescindibles en una instalación eólica; la corriente alterna trifásica producida por el aerogenerador se rectifica para obtener corriente continua y de este modo poderla almacenar en los acumuladores. Además de controlar la energía suministrada para que en ningún momento se sobrecargue, protegiendo así al acumulador, al resto del equipo y a la instalación.
Los factores a tener en cuenta para el dimensionamiento de un controlador son los siguientes:
Tensión nominal: tensión del sistema para la que se ha diseñado el controlador que a su vez coincide con la tensión nominal del sistema de acumulación. Habitualmente son 12 V, 24 V y 48 V.
Intensidad nominal: Es el valor de la intensidad producida por el generador que tiene que manejar el controlador. Este valor es variable de acuerdo a la condiciones del viento y generalmente se especifica o la corriente máxima que admite o la potencia máxima admisible dependiendo del fabricante.
____________________
24 SOLENER. Regulador de aerogenerador modelo AERO. 2013. Catalogo. p.1–12.
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2.10 Baterías
El uso de acumuladores o bancos de baterías hacen parte fundamental de los sistemas a pequeña escala fotovoltaico y eólico, este se basa en el régimen del uso de la energía en ciertos horarios y bajo ciertos factores climáticos. Por lo cual su estudio se hace indispensable para el dimensionamiento de sistemas de generación de energía a pequeña escala.
Para sistemas a pequeña escala existe en el mercado una gran variedad de baterías para este tipo de aplicaciones, sin embargo es bien sabido que las baterías más adecuadas para estos trabajos son las de ciclo profundo pues tienen como característica especial soportar grandes descargas (profundidad de descarga) durante largos periodos de tiempo y, además, tienen un alto número ciclos de cargar y descarga.
Dentro de las baterías de ciclo profundo se encuentran en el mercado como lo afirma Alonso Miguel25 diferentes tipo de acuerdo a su material, precio, ciclado y mantenimiento como se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3. Tipos de baterías
Fuente 9. Alonso Miguel, Sistemas fotovoltaicos
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25Alonso Abella M. Sistemas Fotovoltaicos. CIEMAT. 2011;Vol.1. p.59.
40
2.10.1 Factores que determinan una batería
Existen tres factores principales para tener en cuenta en una batería, la capacidad de energía que puede almacenar, la máxima corriente que puede entregar y la profundidad de descarga que puede sostener.
Para el caso de la cantidad energía que puede ser acumulada según Gasquet Hector26 esta se define como el número de vatios-horas y se calcula como el producto del voltaje nominal por el número de Amperios horas de acuerdo a la Ecuación 12.
𝑊ℎ = 𝑉 × 𝐴ℎ Ec. (12)
Donde (V) es el voltaje nominal y (Ah) son los amperios por hora Por otro lado, como lo menciona Gasquet Hector26 la capacidad (C) de una batería de sostener un régimen de descarga está dada por el número de ampere*hora (Ah). Este es un valor que deriva de un régimen de descarga especificado por el fabricante. Este valor depende de varios factores como el régimen de descarga, la profundidad de descarga, temperatura de operación, el ciclado, entre otros factores. Además, es conocido que toda la energía que entra a la batería cuando se carga no puede ser extraída en el proceso de descarga pues como todo elemento que transforma energía presenta una perdidas en la conversión, por lo cual para representar que tanta energía se puede extraer según Castejón y santamaria17 se utiliza el DOD (profundidad de descargar) y representa la relación de corriente (Ah) cedida por una batería y la capacidad total de la misma. Es decir es un porcentaje que representa la cantidad de energía que puede extraerse de una batería. En la industria dependiendo del tipo batería, La DOD máxima puede llegar a un 80% para baterías de ciclo profundo o al 15-20% para baterías de arranque o ciclo poco profundo.
__________________ 26 Gasquet H. Conversión de la luz solar en Energía Eléctrica: Manual Teórico y Práctico sobre los sistemas Fotovoltaicos. 2004.p.41. 26 Ibíd. p 50-52. 17 Castejon A., Santamaria G. Op. Cit., p.79-80.
41
2.10.2 Dimensionamiento de una batería
Para todo dimensionamiento de un circuito como lo afirma Castejon y Santamaría17 se debe partir del inventario de los consumos eléctricos previstos por lo cual para tener un buen dimensionado de la batería se tiene en cuenta la potencia (P), la energía media de consumo (Wd), la tensión nominal de la batería de acumuladores (Un), la autonomía y rendimiento de batería, regulador e inversor si este último es necesario.
Consumo medio diario (Qd)
𝑄𝑑 =𝑊𝑑
𝑈𝑛 Ec. (13)
Donde (𝑄𝑑) consumo medio diario en Amper-hora sobre día, (𝑊𝑑) es la energía
media diaria en vatios-hora sobre día y (𝑈𝑛) tensión nominal del sistema de acumulación en voltios.
Capacidad teniendo en cuenta los rendimientos
𝐶𝑛 =𝑄𝑑𝐴
𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥𝜂𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝜂𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝜂𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟𝜂𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 Ec. (14)
Donde (A) son los días de autonomía, ( 𝜂𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎) es el rendimiento de la batería, (𝜂𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟) es el rendimiento del controlador, (𝜂𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟) es el rendimiento del
inversor, (𝜂𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟) es el rendimiento de los conductores, (𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥) es la profundidad de descarga máxima adimensional y (𝐶𝑛) es la capacidad de la batería de acumuladores en Amper hora sobre día.
Tiempo de uso diario (td)
𝑡𝑑 =𝑊𝑑
𝑃 Ec. (15)
Donde (P) es la potencia en vatios, (𝑡𝑑) es el tiempo de uso diario en horas y
(𝑊𝑑) es la energía media diaria en vatios-hora sobre día.
_________________
17 Ibíd. p.80-82.
42
Tiempo final de periodo de autonomía (ta)
𝑡𝐴 =𝐴𝑡𝑑
𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥 Ec. (16)
Siendo (A) los días de autonomía del sistema, ( 𝑡𝑑) el tiempo de uso diario en horas y (𝑃𝐷𝑚𝑎𝑥) es la profundidad de descarga máxima adimensional. Por lo anterior se elige la batería con la capacidad con (Cn) y tiempo de autonomía (ta).
2.11 Inversor
Es el encargado de convertir la corriente continua en alterna para uso doméstico. Para sistemas autónomos suelen ir conectados a la salida de la batería en el borne del acumulador.
Para dimensionar el inversor autónomo los parámetros a tener en cuenta son la tensión nominal de entrada y la potencia nominal.
La tensión nominal de entrada al inversor debe coincidir con la tensión nominal de la batería. Para la potencia nominal se aplica el criterio de la suma de potencias de los receptores que puedan funcionar simultáneamente sin que se sobrepase la potencia nominal
2.12 Elementos de consumo
Los LED (light emitting diode) como afirma FENERCOM27 son diodos emisores de luz que están formados por varias capas de un material semiconductor donde la luz se forma en una de sus delgadas capas. Además se define que la vida útil de un LED no está limitada por un fallo completo, sino que ésta llega a su fin cuando el flujo luminoso se reduce hasta la mitad del flujo luminoso inicial.
Ventajas de la tecnología LED:
Tamaño reducido para aplicaciones diversas.
Alta resistencia a golpes y vibraciones.
Bajo consumo y duraciones de vida útil entre 50000h-10000h
Alta eficiencias debido al bajo desperdicio de energía en calor.
_______________________
27 FENERCOM. Guía LED en el alumbrado. 2015. p 19.
43
2.12.1 Eficiencia luminosa
Se define la eficiencia luminosa como la relación que se da en el cociente hallado al dividir el flujo luminoso en lúmenes entre la potencia que entra al sistema.
𝜂𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑐𝑎 =𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑜𝑠𝑜
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 Ec. (17)
2.12.2 Factores a tener en cuenta
A mayor intensidad de corriente mayor será el flujo de luz emitido. Proveer más de 700 mA no es conveniente porque conlleva a reducir sustancialmente la vida útil y la eficiencia luminosa (Lm/W).
2.12.3 Factores de selección de un LED
Para seleccionar un led se tiene que tener en cuenta los siguientes factores:
Durabilidad: Vida útil expresada en horas de trabajo con la que cuenta el LED.
Consumo: Potencia requerida por el sistema.
Lúmenes: Unidad de flujo luminoso.
Eficiencia luminosa.
Tabla 4.Tipos de LED
Fuente 10. FENERCOM, Guía led en alumbrado
44
2.13 Conexiones eléctricas y controladores
Fuente de alimentación o driver: Según FENERCOM27, un LED necesita una fuente de alimentación que transforme la tensión de la red (AC) en una tensión que se acople a las necesidades de la luminaria.
Figura 7. Driver para LED
Fuente 11. FENERCOM, Guía de alumbrado
2.14 Sensores y controladores
Sensores de regulación de la luz: Son dispositivos electromecánicos que permiten automatizar el encendido y el apagado de cualquier instalación, también con la posibilidad de ajustar gradualmente la cantidad de flujo luminoso. Dentro de ésta clase de dispositivos están:
Sensores de luz ambiental
Sensores de luz exterior
Sensores de presencia
___________________
27 Ibíd. p. 26-40.
45
3. METODOLOGÍA
3.1 Dimensionamiento y selección
1. Hacer las mediciones correspondientes de velocidad del viento versus rpm, velocidad del viento versus Toque, para determinar el rango de funcionamiento de la turbina.
2. Realizar un cálculo teórico de la eficiencia y la potencia útil del generador bajo el modelo teórico de Gouriérés, teniendo en cuenta los datos adquiridos en el numeral 1, con el fin de realizar una simulación en transitorio y conocer el potencial energético del rotor eólico
3. Utilizar los conceptos necesarios para dimensionar los elementos que hacen parte del sistema como leds, inversor, batería, regulador, generador y transmisión de acuerdo a los datos obtenidos en el apartado anterior.
4. Evaluar los diferentes elementos del sistema y elegir los que sean más conveniente de acuerdo a matrices de selección.
3.2 Instalación
1. Instalar los elementos dimensionados y seleccionados.
2. Efectuar pruebas pertinentes que permitan hacer los ajustes que requiera el sistema de alumbrado.
3.3 Pruebas
Para la verificación de los objetivos específicos se van a realiza los siguientes pasos.
1. Realizar prueba experimental para determinar la potencia y la eficiencia del generador.
2. Comparar los resultados entre el modelo teórico y los datos experimentales.
3. Determinar el área de impacto de iluminación, encendiendo el sistema y verificando en la zona de parqueo de motos si se realiza algún aporte lumínico por parte del generador.
4. Elaborar un artículo para evidenciar los resultados más relevantes del trabajo, para presentarlo en una revista indexada.
46
4. DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN
Considerando que el generador, de acuerdo a Lugo Daniel & Bejarano Laura9 suministra 10 vatios con una velocidad media de 3.3 m/s, se ha optado por un sistema de acumulación que almacene esta energía para su uso posterior. Por lo anterior como primera instancia se registran mediciones de velocidad del viento versus rpm del rotor y velocidad del viento versus torque de arranque para conocer mejor el comportamiento del generador. Luego basándose en las mediciones anteriores se realiza un cálculo teórico bajo el modelo de Gouriérés para obtener la potencia y la eficiencia global del generador, a su vez se efectúa una simulación en TRNSYS 17 del generador y se estima el potencial energético con el fin determinar el reflector a utilizar y tiempo de iluminación diaria que puede aportar el sistema.
4.1 Medición de velocidad del viento versus revoluciones por minuto del rotor
Se realizó mediciones de micro ciclos para estudiar el comportamiento del rotor durante 5 minutos y se obtuvieron 60 datos. Las mediciones se efectuaron en la hora de la tarde, debido a que el mayor potencial de viento se encuentra a estas horas por el diferencial de temperatura. De lo mencionado anteriormente se obtiene la Gráfica 1 de las revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento.
Gráfica 1. Revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento
Fuente 12. Propia
___________________
9 Lugo D., Bejarano L. Op. Cit., p. 37
0
20
40
60
80
100
120
140
0 1 2 3 4 5 6 7
RP
M D
EL R
OTO
R
VELOCIDAD DEL VIENTO (m/s)
47
De la Gráfica 1 se concluye que la media de revoluciones del rotor es de 70 rpm para la velocidad media de 3.3 m/s proporcionada por Lugo Daniel & Bejarano Laura.
En el caso de la velocidad del viento versus el torque de arranque, debido a circunstancias inesperadas se produjo un daño en el rotor por lo cual se procedió a realizar la reparación del mismo para seguir realizando las medidas.
4.1.1 Daños inesperados
Iniciando las mediciones se evidencio un daño en uno de los alabes debido a la fatiga de varios de los elementos que sostiene el alabe como se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Elementos con fallo por fatiga
Fuente 13. Propia
Esto se debió a que el material con los que se hicieron estos elementos de sujeción no fue capaz de soportar esfuerzo variables cíclicos que se presentaban con el viento generando grietas internas que terminaron por crecer y finalmente generando una ruptura final del material como se muestra en la Figura 9.
48
Figura 9. Fisura por fatiga
Fuente propia
En consecuencia por la ruptura de estos objetos parte del alabe se salió de lugar provocando que este chocara con la estructura y se rasgara como se muestra en la Figura 10.
Figura 10. Alabe fuera de lugar y rasgadura
Fuente 14. Propia
49
4.1.2 Reparaciones
Debido a estos acontecimiento se decidió hacer un cambio de alabes de la primera etapa para mantener el balance del rotor, para ello se compró lamina de aluminio de calibre 0.9 y dos laminas soleras de acero de ½ pulgada para hacer una estructura unida por remaches a los alabes para dar refuerzo y evitar que ocurra otro daño por fatiga. El alabe con la estructura reforzada se puede observar la Figura 11.
Figura 11. Alabe reforzado con estructura de solera
Fuente 15. Fuente propia
Por otra parte se cambiaron elementos como los ángulos de aluminio y el alambre tenso con el fin de hacer la estructura más resistente a las cargas variables debidas al viento. En vista de lo anterior los ángulos de aluminio fueron reemplazadas por ángulos metálicos de hierro zincado y el alambre tensor se reemplazó por una de 2.5 mm de diámetro. En la Figura 12 se puede observar el ángulo zincado y la guaya.
Figura 12. Angulo de hierro zincado y alambre tensor gruesa
Fuente 16. Propia
50
Posteriormente se realizó el montaje de lo alabes con la ayuda de un andamio proporcionado por la universidad.
Figura 13. Montaje de alabes
Fuente 17. Montaje de alabes
Finalmente se logró instalar adecuadamente los alabes y se obtuvieron buenos resultados en el funcionamiento y comportamiento del mismo que se explicara con más detalle a continuación.
4.2 Mejoras y nuevas mediciones
Se encontró que el rotor funciona de forma adecuada y además se evidencio una reducción de ruidos en el mismo que trajo como ventaja un mejor trabajo del generador eólico. Por otra parte al realizar nuevamente las mediciones del perfil de velocidad del viento se encontró que mejoro su comportamiento en comparación a como estaba en su estado original.
Con el fin de seleccionar el generador eléctrico es preciso conocer el comportamiento del rotor teniendo en cuenta parámetros como revoluciones del rotor y torque de arranque en función de la velocidad media del viento. Por tal razón se efectuó estas medidas para tener una panorama más claro de qué tipo de generador se puede utilizar y si el sistema necesita o no una trasmisión de potencia.
51
4.2.1 Medición de las revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento en el rotor Savonius reforzado
Los instrumentos utilizados para esta medición fueron un anemómetro digital, tacómetro digital y un cronometro como se muestra en la Figura 14.
Se realizó mediciones de micro ciclos para estudiar el comportamiento del rotor durante 5 minutos y se obtuvieron 60 datos. Las mediciones se efectuaron en la hora de la tarde, debido a que el mayor potencial de viento se encuentra a estas horas por el diferencial de temperatura
Figura 14. Tacómetro, anemómetro y reloj
Fuente 18. Propia
Al realizar las mediciones se tiene la siguiente gráfica de revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento
Gráfica 2. Revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento
Fuente 19. Propia
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6 7
RP
M D
EL R
OTO
R
VELOCIDAD DEL VIENTO (M/S)
52
De la Gráfica 2 se tiene que la media de las revoluciones del rotor es de 78 rpm para la velocidad medida de 3.3 m/s proporcionada por Lugo Daniel & Bejarano Laura9. Por otra parte se evidencia que en la gráfica una tendencia lineal de las rpm del rotor en función la velocidad del viento, y se evidencia una dispersión moderada debido a la precisión de los equipos y la forma de medición.
4.2.2 Medición del Torque de arranque en función de la velocidad del viento en el rotor Savonius reforzado
Se realizó mediciones de micro ciclos para estudiar el comportamiento del rotor durante 5 minutos y se obtuvieron 60 datos. Las mediciones se efectuaron en la hora de la tarde. Para este tipo de prueba se utilizaron los siguientes instrumentos como dinamómetro digital, una polea, una curda y por supuesto un anemómetro digital.
Figura 15. Anemómetro y dinamómetro digital
Fuente 20. Propia
El montaje se realizó de tal manera que la cuerda estuviera sujeta al eje y esta a su vez guiada por una polea se uniera con un dinamómetro que nos daría la fuerza en función de la masa para las diferentes velocidades presentes, posteriormente con el radio del eje se procede a calcular el torque de acuerdo a la Ecuación 18.
𝑇 = 𝐹 × 𝑅 Ec. (18)
__________________
9 Lugo D., Bejarano L. Op. Cit., p. 37
53
Siendo (T) el torque de arranque en Newton por metro, (F) fuerza en Newton y (R) el radio del eje del rotor en metros
El esquema del montaje se muestra a continuación en la Figura 16 y 17.
Figura 16. (a) Esquema montaje dinamómetro, (b) fuerza, torque y radio vista superior del eje
(a)
(b)
Fuente 21. Propia
Figura 17. Montaje para medición
Fuente 22. Propia
De acuerdo a los datos tomados se tiene la gráfica 3 del torque e arranque en función de la velocidad del viento.
54
Gráfica 3. Torque de arranque en función de la velocidad del viento
Fuente 23. Propia
En la Gráfica 3 se evidencia que existe una relación casi lineal entre la velocidad del viento y el torque del rotor, por otro lado se observa que el rango de torque de trabajo se encuentra entre 0 a 4 Nm que es donde se encuentra el rango medio de trabajo del generador 2 a 4 m/s. A su vez la media del torque es de 1.4 Nm para la velocidad media de 3.3 m/s del lugar en donde se encuentra el generador.
4.3 Configuración del sistema de iluminación
De acuerdo al siguiente diagrama de bloque se va seguir el dimensionamiento y la selección de los diferentes elementos que componen el sistema de iluminación como se muestra en la Figura 18.
y = 1,5401x - 3,3073
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2 4 6 8
TOR
QU
E D
EL R
OTO
R (
Nm)
VELOCIDAD DEL VIENTO (m/s)
Torque del rotor en funcion de lavelocidad
Lineal (Torque del rotor enfuncion de la velocidad)
55
Figura 18. Esquema del sistema de iluminación
Fuente 24. Propia
4.4 Selección y dimensionamiento de la transmisión
Para la selección de la transmisión, se tienen en cuenta los tipos de transmisión, los cuales son transmisión rígida y transmisión flexible. Estas transmisiones serán evaluadas bajo los siguientes parámetros.
Costo: Inversión de dinero que requiere la transmisión para ser instalada. En éste caso es un factor relevante. Valor asignado para la matriz de decisión: 15/40=0,375
Adaptabilidad: Ésta característica describe que tan adaptable es la transmisión dentro del espacio disponible en la parte inferior del rotor, y al generador. Es un factor relevante, debido a que no se pretende modificar significativamente la estructura del rotor. Valor asignado para la matriz de decisión: 15/40=0,375.
56
Mantenimiento: ésta característica está determinada por el tipo de mantenimiento y la periodicidad que requiere el sistema de transmisión. Es un factor menos relevante que los anteriores. Valor asignado para la matriz de decisión: 5/40=0,125
Relación de transmisión: éste parámetro está determinado por la máxima relación de transmisión permisible en el sistema. Es un factor menos relevante, debido a que se busca una relación de transmisión máxima de 1:5, donde las transmisiones flexibles o rígidas trabajan bien. Valor asignado para la matriz de decisión 5/40=0,125.
4.4.1 ALTERNATIVAS
De acuerdo a los diferentes tipos de transmisión se tiene las siguientes alternativas:
Transmisiones rígidas, se puede ver en este grupo a la transmisión por engranes, la cual requiere de una disposición de espacio más compacta, sin embargo requiere de ejes solidarios, lo cual la hace poco adaptable (Adaptabilidad: 4/10). Las ruedas dentadas son costosas en el mercado y por la condición anterior requiere de una alta inversión (Costo: 2/10), sin embargo ofrece un buen comportamiento con relaciones de transmisión hasta de 10:1 (RT: 10/10), y por parte del mantenimiento, las ruedas dentadas solo requerirían una lubricación con grasa que duraría largos periodos de tiempo (Mantenimiento 8/10). Dentro de las transmisiones flexibles, se encuentran las cadenas y las poleas. Para las transmisiones por cadena se puede observar que es un sistema recomendado para altos torques y velocidades menores a 500 rpm, Al ser una transmisión que tiene la mayoría de sus componentes a disponibilidad de éste proyecto, su costo se ve severamente reducido (costo: 9/10), su adaptabilidad es comprobada, debido a que ya ha sido instalada anteriormente, hay un tensor que permite ajustar la cadena al quitar o retirar eslabones (adaptabilidad: 9/10), al ser una transmisión que requiere lubricación manual 1 o 2 veces por mes, es un sistema de fácil mantenimiento (Mantenimiento 8/10). Por otro lado, la relación de transmisión máxima disponible giraba alrededor de 1:3,2 sin embargo es suficiente, debido a que el generador empieza a funcionar a partir de las 150 rpm, y la velocidad de giro promedio del rotor es mayor a 50 rpm (RT: 7/10).
57
En la transmisión por poleas se observa que esta es costosa de adquirir, debido a que ésta requiere comprar las dos poleas y la correa representa un costo más alto respecto a la transmisión por cadena (costo 7/10), por parte de la adaptabilidad, es un sistema, de fácil adaptación, debido a que no requiere de ejes solidarios, pero requiere un riel para ajustar la polea o un tensor en su defecto (Adaptabilidad 8/10), por parte del mantenimiento, es un sistema que si se dejan bien enfrentados los flancos de las poleas, es un sistema que no tendrá desgastes prematuros y no requiere de lubricación. (Mantenimiento 10/10). La relación de transmisión se encuentra condicionada por el espacio disponible, para éste caso el espacio disponible oscilaba alrededor de los 340mm de diámetro en el rotor. (Rt:7/10).
Tabla 5. Matriz de selección de tipo de transmisión
Fuente 25. Propia
4.4.2 Tipo de transmisión: Cadena piñón.
Al seleccionar éste tipo de transmisión, ésta requería de un piñón pequeño, con paso 1/2”, en el mercado se encuentra un piñón de 15 dientes, sin embargo el orificio de éste era significativamente mayor al diámetro del eje, lo que no iba a permitir un ajuste centrado del piñón, por lo tanto se procede a mecanizar un buje que tenga diámetro interno el diámetro del eje del generador, y un diámetro externo suficiente para sujetar los pernos. La adaptación queda como se muestra en la Figura 19.
Figura 19. Generador con adaptación de piñón
Fuente 26. Propia
OPCIONES RANGO
VALORPONDERACIÓN
(FACTOR 0,375)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,375)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,125)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,125)
PUNTUACIÓN
MAX. 10
ENGRANES 2 0,75 4 1,5 8 1 8 1 4,25
CADENA 9 3,375 9 3,375 8 1 7 0,875 8,625
POLEAS 7 2,625 8 3 10 1,25 7 0,875 7,75
RELACIÓN ADMISIBLEMANTENIMIENTOADAPTABILIDAD COSTO
58
Posteriormente se procede a instalar el plato de 48 dientes existente, respecto al piñón de 15, entonces se cuenta con una relación de transmisión de 1:3,2. Luego, se procede a comprar un cofre que permitirá ajustar la altura del generador para que los piñones queden enfrentados y así mismo, proteger al alternador contra efectos ambientales y hurto.
Figura 20. Adaptación y protección PMA
Fuente 27. Propia
Ya con el generador ajustado en el sitio de trabajo, se comprueba que la distancia entre centros mínima sea menor a la dispuesta de la siguiente manera:
Se toman los valores de los diámetros de las tablas de los catálogos, en este caso catálogo de intermec28.
____________________
28 INTERMEC S.A. La transmisión de potencia por cadena de rodillos: un compendio de información técnica y práctica. 2013. p.28.
59
Tabla 6. Valores de referencia para piñones intermec de paso= ½.
Fuente 28. INTERMEC S.A. La transmisión de potencia por cadena de rodillos: un compendio de información técnica y práctica
60
De acuerdo al catálogo se tiene que la distancia entre centros mínimos y la distancia real está dada por la Ecuación 19 y 20 respectivamente.
𝐶𝑚𝑖𝑛 =𝐷+𝑑
2=
201,4+67,3
2= 134,4 𝑚𝑚 Ec. (19)
𝐶𝑟𝑒𝑎𝑙 = 490𝑚𝑚 = 19.3 𝑝𝑢𝑙𝑔 Ec. (20)
Donde (𝐶𝑚𝑖𝑛) es la distancia minima entre centros, (𝐶𝑟𝑒𝑎𝑙) es la distancia real entre
centros y (𝐷) es el diámetro del plato y (𝑑) es el diámetro del piñón.
4.4.3 Cantidad de eslabones
Según el catálogo de intermec28, se tiene la Ecuación 21 para hallar el número de eslabones:
𝑁𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠 = 2𝐶 +𝑠
2+
𝐾
𝐶 Ec. (21)
Donde (𝐶) es la distancia entre centros en pulgadas dividido el paso (19,3” pulg/0,5pulg=38,6), (𝑠) es la suma de los dientes del piñón y la rueda (48+15=63), el valor de k se determina encontrando un valor (D) de que representa los dientes del piñon menos el número de dientes de la rueda dentada (48-15=33). El valor de “K” se encuentra en función de (D) como se muestra en la Tabla 7 del catálogo de Intermec28.
Tabla 7. Valores de K, según sea la cantidad D.
Fuente 29. INTERMEC S.A. La transmisión de potencia por cadena de rodillos: un compendio de información técnica y práctica,
_________________
28 Ibid. p.62.
61
De la tabla anterior se tiene el valor de K.
𝐾 = 27,58
Aplicando en la fórmula los valores de C, S y K, a la ecuación 21 se obtiene el siguiente resultado.
𝑁𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠 = 2𝐶 +𝑆
2+
𝐾
𝐶= 2(38.6) +
63
2+
27,58
38,6= 108,79 Ec. (22)
Por lo tanto, el número de eslabones mínimo se aproxima por exceso a 109; sin embargo, la cadena al estar instalada en disposición horizontal, y el número de eslabones es impar, lo que quiere decir que queda una holgura muy grande por lo cual el tensor se coloca, se debe exceder éste valor en 3 eslabones más, para un total de 112 eslabones.
Para la longitud de la cadena es necesario multiplicar el valor del número de eslabones.
𝐿 = (𝑝𝑎𝑠𝑜)(𝑁𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠) Ec. (23)
Siendo ((𝑁𝑒𝑠𝑙𝑎𝑏𝑜𝑛𝑒𝑠) es el número de eslabones, (𝐿) Longitud de la cadena, (𝑝𝑎𝑠𝑜) el paso de la cadena. Por lo anterior se tiene que
𝐿 = 0.5𝑝𝑢𝑙𝑔 × 112 = 56 𝑝𝑢𝑙𝑔 Ec. (24)
Al instalar la cadena y disponer el tensor para su funcionamiento, queda de la siguiente manera:
Figura 21. Transmisión por cadena más tensor en la parte inferior del rotor Savonius
Fuente 30. Propia
62
4.5 Evaluación y selección del generador eléctrico
Teniendo en el análisis de la gráfica 2 de revoluciones del rotor en función de la velocidad del viento donde la media de la revoluciones del rotor es de 78 rpm para una velocidad media de 3.3m/s se ha optado por trabajar con las siguientes opciones para generación eléctrica:
Alternador
Alternador modificado
Generador PMA
4.5.1 Alternador
Se realizó en un banco para alternadores casero las pruebas con un alternador de 12 V-70 A como se muestra en la Figura 22 y junto con un tacómetro y voltímetro se tomó la medida de voltaje y corriente a diferentes revoluciones.
Figura 22. Banco de alternadores
Fuente 31. Propia
En las mediciones se observó que el alternador empezaba a entregar corrientes alrededor de las 1000-1200 rpm lo cual resulta ser similar si se compara con la Gráfica 4 para este tipo de alternadores. Esto no resulta conveniente para esta aplicación, debido a que el rotor savonius gira por lo menos con la décima parte de las revoluciones del alternador, por lo cual la fabricación de una transmisión seria complejo, ya que las dimensiones de la relación de aumento de velocidad sería demasiado grande (1:10) para que el generador produzca, por otro lado la reducción del torque en la transmisión implica que el rotor no arrancaría por el torque pedido por el alternador.
63
Gráfica 4. Curva de alternadores
Fuente 32. Metaconta, ¿Hay alternadores que directamente proporciona corriente continua? arduino 29
4.5.2 Alternador modificado
Considerando lo expuesto en la sección 4.5.1 se ha analizado la opción de la modificación del alternador cambiando la bobina inductora del rotor por imanes permanentes, para ello se vio diferentes tutoriales, videos y se realizó dicha modificación.
Como primera medida se destapo el rotor, se retiró la bobina y se reemplazó por imanes cerámicos tipo arandela como se puede ver en la figura 23.
Figura 23. (a) Retirando bobinado del rotor y (b) torneando rotor
(a)
(b)
Fuente 33. Propia
_______________
29 Metaconta. ¿Hay alternadores que directamente proporciona corriente continua? arduino. Disponible en: https://forum.arduino.cc/index.php?topic=357462.0. Acceso 27 de octubre de 2016.
64
Posteriormente entre las mordazas del rotor se insertaron imanes de neodimio N50 tipo moneda de 1 cm de diametro como se observa en la Figura 24.
Figura 24. Alternador con imanes cerámicos y de neodimio
Fuente 34. Propia
A continuación se muestra en la Figura 25 la prueba realizada en el banco de alternadores.
Figura 25. Prueba en banco de alternadores
Fuente 35. Propia
Los resultados de las pruebas con el alternador modificado evidenciaron que este solo alcanza a producir 14 V a 6000 rpm, lo cual resulta desfavorable porque la producción es menor que la del alternador sin modificar, y además se requieren seis veces las revoluciones de un alternador común para producir la corriente necesaria, por lo cual esta opción ha sido descartada.
65
4.5.3 Generador PMA para vientos bajos
En vista de los resultados encontrados en la sección 4.5.1 y 4.5.2 se ha optado por la opción de buscar en el mercado si se encuentra generadores que funcionen a bajas revoluciones y se seleccionó uno de estos, debido a las bajas rpm de trabajo, potencia, eficiencia y costo. Para ello se ha hecho una matriz de decisión para escoger el mejor generador conforme a parámetros como costo, tiempo de llegada, desempeño y el sobrecosto.
Para la matriz se ha decidido dar un rango de 1-10 puntos, así el generador con mayor puntuación será el que se escogerá para el sistema de iluminación, a cada característica se le ha dado cierto porcentaje de valor teniendo como prioridad costo, desempeño y sobrecosto (si se necesita de más elementos para su funcionamiento)
Tabla 8. Matriz de decisión generador
Fuente 36. Propia
De la Tabla 8, se tiene que la mejor opción es el generador PMA Hurricane que presenta en la Gráfica 5 el voltaje-ampere en función de las revoluciones por minuto. A se en esta gráfica se puede observar que el generador empieza a producir a partir de las 100 rpm por lo cual se tendría un rango de trabajo de 100 a 400 rpm si se tiene en cuenta la transmisión propuesta con una relación 3,2 a 1.
De acuerdo con Windblue30 el toque necesario para mover este tipo de generadores debe estar en el rango 0.59 Nm a 1.33 Nm para un rango de velocidad de 117 rpm a 365 rpm. Si se compara estos datos con la Gráfica 2 de revoluciones del rotor en función de la velocidad y teniendo en cuenta la relación de transmisión se tiene que el rotor eólico cumple con un buen rango de revoluciones para generar corriente. A su vez si se considera la Gráfica 3 del .torque de arranque en función de la velocidad del viento se puede apreciar que el rotor eólico con el generador puesto tendría una velocidad de arranque y un torque de arranque de 3 m/s y 2 Nm respectivamente.
__________________
30 Windblue Power. Permanent Magnet Alternator Wind Blue Low Wind. Disponible en: http://www.windbluepower.com/Permanent_Magnet_Alternator_Wind_Blue_Low_Wind_p/dc-540.htm. Excel. Acceso 27 de octubre de 2016.
OPCIONES RANGO
VALORPONDERACIÓN
(FACTOR 0,35)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,2)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,2)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,3)
PUNTUACIÓN
MAX. 10
PMA 440 8 2,8 3 0,6 8 1,6 6 1,8 6,8
PMA 540 8 2,8 3 0,6 9 1,8 6 1,8 7
PMA
HURRICANE10 3,5 9 1,8 8 1,6 6 1,8 8,7
WINDZILLA 5 1,75 9 1,8 7 1,4 9 2,7 7,65
COSTO TIEMPO DE LLEGADA DESEMPEÑO SOBRECOSTO
66
Gráfica 5. Curva corriente y voltaje en función de las revoluciones
Fuente 37. Hurricane Wind and Power
4.6 Potencial energético del rotor savonius bajo simulación TRNSYS 17
Teniendo en cuenta el análisis en la sección 4.5.3, el proyecto de grado de Lugo Daniel & Bejarano Laura de una generador de 10 W con una velocidad media de 3.3 m/s, se tiene entonces que si esta energía se almacena durante todo el día, se podría utilizar durante las horas de la noche. Por lo anterior, se procede a ejecutar una simulación, en el software TRNSYS 17, los siguientes parámetros: Producción de energía diaria y mensual del sistema de generación basando en el modelo de Gouriérés para hallar la potencia generada que llega a la batería, teniendo en cuenta las pérdidas en la parte mecánica y eléctrica del mismo. Una vez realizado éste análisis, se evalúa si la producción cumple con diferentes tipo de lámparas y tiempos de consumo.
Figura 26. Esquema en TRNSYS 17.
Fuente 38. TRNSYS STUDIO 17
67
4.6.1 Velocidad del viento con los datos meteorológicos de TRNSYS
El primer paso a realizar fue tomar los datos del viento de Bogotá, que trae por defecto el TRNSYS 17 a una altura de 30 m, y adaptarlos a las condiciones donde se ubica el generador, el cual se encuentra a una altura de 3 m, utilizando el modelo por defecto de TRNSYS 17 conocido como “ley séptima potencia” basado en el trabajo teórico de Von Karman31.
𝑈1
𝑈2= (
𝑍1
𝑍2)
𝛼
Ec. (25)
Donde (𝑈1) es la velocidad del viento en la altura uno en metros sobre segundo, (𝑈2)
es la velocidad del viento a la altura dos en metros sobre segundo, (𝑍1) es la altura uno en metros, (𝑍2) es la altura dos en metros y (𝛼) es el parámetro de tasa de aumento de velocidad del viento en función de la altura.
El parámetro de tasa de aumento de la velocidad del viento bajo condiciones ideales de capa límite se considera que es 0.14, sin embargo bajo condiciones reales del valor de alfa varía constantemente y depende de factores como la rugosidad local, característica superficiales a gran escala a barlovento, estabilidad atmosférica, entre otros. TRNSYS 17 estudio trabaja con los siguientes valores para estas diferentes condiciones como se muestra en la tabla 9.
Tabla 9. Parámetros de aumento de tasa de flujo
Fuente 39. TRNSYS STUDIO 17, Mathematical Reference
___________________
31 Kummert M. Trnsys 16 Mathematical Reference. Program. 2007; Vol.5. p.58.
68
Según la Tabla 9, se toma un factor de 0.18, debido a las condiciones de terreno como vegetación corta y la poca altura a la que se encuentra la turbina (3 m), obteniendo así, la Gráfica 6 de velocidad del viento en función de la horas durante un año.
Gráfica 6. Velocidad del viento en función del tiempo en horas durante un año
Fuente 40. Propia
En la Gráfica 6, se muestra la simulación de la velocidad del viento durante un año (8760 horas), en ella se puede inferir que la velocidad no supera los 10 m/s, lo que coincide con los datos experimentales tomados por el anemómetro, el cual registró velocidad máximas de viento entre 7 y 8 m/s. a su vez se observa que la mayor parte del tiempo la velocidad se encuentra entre valores de 0 a 4 m/s.
4.6.2 Coeficiente de potencia del generador
Utilizando los datos de revoluciones por minuto del rotor en función de la velocidad del viento de la Gráfica 2 para calcular la velocidad especifica con la Ecuación 5 y teniendo en cuenta la Ecuación (7) y (8) del modelo de Gouriérés se encuentra la curva de eficiencia del generador como se muestra en Grafica 7.
69
Gráfica 7. Coeficiente de potencia en función de la velocidad especifica
Fuente 41. TRNSYS STUDIO
En la Gráfica 7 se observa que la eficiencia máxima de este rotor bajo el modelo de Gouriérés es del 30% para un valor cercano a 1 para la velocidad específica. A su vez se observa que los datos siguen una línea de tendencia polinómica dada por la ecuación que se observa en la gráfica 6.
4.6.3 Potencia útil en el eje del rotor
Se determinó la potencia útil con los datos de coeficiente de potencia obtenidos de la Gráfica 7 y con las ecuaciones (1) y (2) en donde se tiene en cuenta la velocidad del viento, el coeficiente de potencia, el área de barrido y la densidad. Para esta simulación se tomaron las siguientes constantes.
𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜 (𝐴) = 2,88 𝑚2
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝜌) = 1,225 𝑘𝑔
𝑚3
Se realizaron los cálculos correspondientes y se obtuvo la potencia útil en el eje en función de la velocidad del viento como se especifica en la Gráfica 8.
y = -0,5072x2 + 0,9491x - 0,1444
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0 0,5 1 1,5 2
Co
efic
ien
te d
e p
ote
nci
a (c
p)
Velocidad especifica (TSR)
coeficiente de potencia enfuncion de la velocidadespecifica
Polinómica (coeficiente depotencia en funcion de lavelocidad especifica)
70
Gráfica 8. Potencia útil en función de la velocidad del viento
Fuente 42. Propia
A su vez, en este análisis se tiene en cuenta le eficiencia de la transmisión, el generador eléctrico y el rectificador-regulador, por lo cual la potencia generada que llega a la batería está dada por la Ecuación 26.
𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = (𝑃𝑎𝑣)(𝜂𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎)(𝜂𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟)(𝜂𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟−𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟) Ec. (26)
Donde (𝑃𝑎𝑣) es la potencia útil (potencia mecánica extraíble del rotor), (𝜂𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟) es
ña eficiencia del generador eléctrico, ( 𝜂𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎) es la eficiencia de la transmisión por cadena y (𝜂𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟−𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟) es la eficiencia del rectificador-regulador.
Para la eficiencia mecánica para una transmisión por cadena para bicicleta según Spicer, Richardson, et al32 oscila alrededor del 92%. Por otra parte, se tiene que la eficiencia del conjunto generador eléctrico-rectificador oscila alrededor del 40% para este tipo de generadores según windblue30, a su vez la eficiencia del regulador es del 70%. Por lo anterior se tiene que la potencia generada que llega la batería está dada por la Ecuación 27.
____________________
32 Spicer JB., Richardson CJK., Ehrlich MJ., Bernstein JR., Fukuda M., Terada M. Effects of Frictional Loss on Bicycle Chain Drive Efficiency. J Mech Des. 2001; Vol.123.(4). p . 602, Disponible en: http://dx.doi.org/10.1115/1.1412848.
y = -0,6169x3 + 9,1392x2 - 26,545x + 22,451
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6
PO
TEN
CIA
UTI
L (W
)
VELOCIDAD (M/S)
Potencia util en funcion de lavelocidad del viento
Polinómica (Potencia util enfuncion de la velocidad delviento)
71
𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0,257 × 𝑃𝑎𝑣 Ec. (27)
Siendo (𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎) la potencia generada que llega a la batería en vatios, (𝑃𝑎𝑣) la potencia útil en vatios y (0.257) es la eficiencia mecanico-electrica que tiene en cuenta el producto de la eficiencia de la transmisión, el generador eléctrico y el rectificador-regulador.
A su vez se tiene que la potencia útil dada por la ecuación de la gráfica 7. Por lo anterior se tiene la Ecuación 28 de la potencia generada en términos de la eficiencia mecanico-electrica y la ecuación de la línea de tendencia polinómica de la Gráfica 8.
𝑃𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 = 0,257 × (−0,6169𝑣3 + 9,1393𝑣2 − 26,545𝑣 + 22,541) Ec. (28)
Esta ecuación está dada para velocidades entre 2 m/s y 11 m/s, ya que experimentalmente se comprobó que el generador arranca alrededor de 1.8 m/s y las velocidades máximas alcanzables no superan los 10 m/s. De la Ecuación 28 se tiene la Gráfica 9 que representa la potencia útil que llega a la batería en función de la velocidad del viento.
Gráfica 9. Potencia generada en función de la velocidad del viento
Fuente 43. Propia
y = -0,1589x3 + 2,3543x2 - 6,838x + 5,7834
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12
PO
TEN
CIA
GEN
ERA
DA
(W
)
VELOCIDAD (m/s)
Velocidad del viento vsPotencia
Polinómica (Velocidad delviento vs Potencia)
72
La Gráfica 9 indica la potencia generada en función de la velocidad del viento, esta potencia como se mencionó anteriormente hace referencia a la que llega a la batería en el sistema de iluminación. En ella se puede observar que la máxima producción ocurre cuando existen ráfagas de 8 m/s a su vez se ve una caída de la potencia a velocidades mayores ,debido a que los savonius no suelen trabajar a velocidades altas y son ineficientes para estos casos.
A su vez se tiene que la eficiencia total del sistema en función de la velocidad se puede observar en la Gráfica 10. Cabe aclarar que las Gráficas 7, 8 y 9 esta realizadas bajo el modelo teórico de Gouriérés, la precisión de este se comprueba en el análisis de resultados y conclusiones.
Gráfica 10. Eficiencia total del sistema en función de la velocidad del viento
Fuente 44. Propia
La Gráfica 10 representa la eficiencia global del sistema y está dada por el cociente entre la potencia generada y la potencia del viento. La potencia generada está de acuerdo a la ecuación (28) y la potencia del viento está dada para cada valor del viento en el rango de 2 m/s a 11 m/s. De esta grafica se puede concluir que la máxima eficiencia que tendría el sistema seria del 5% es decir que del 100% de la energía del viento solo el 5% llega a la batería una vez se ha hecho la transformación de la energía. A su vez se observa que altas velocidades el savonius tiene una baja eficiencia lo que vuelve y reitera que estos generadores son inadecuadas para trabajar a altas velocidades del viento y de giro del rotor.
y = -6E-05x4 + 0,0021x3 - 0,024x2 + 0,11x - 0,1206
-0,01
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0 2 4 6 8 10 12
EFIC
IEN
CIA
TO
TAL
VELOCIDAD (m/s)
Eficiencia total en funcion de lavelocidad del viento
Polinómica (Eficiencia total enfuncion de la velocidad delviento)
73
De acuerdo a la línea de tendencia que se observada en la Gráfica 9 de la potencia generada, se usa la ecuación (28) en la simulación en TRNSYS 17 para determinar el potencial energético durante un año como se muestra en la gráfica 10.
Gráfica 11. Potencia generada en función del tiempo en horas durante un año
Fuente 45.Propia
En la Gráfica 10, se muestra la potencia generada que llega a la batería para cada hora durante un año. En ella se puede apreciar que la potencia máxima generada es de 20 vatios así como el rango medio de potencia que predomina durante todo el año se encuentra entre 0 y 8.40 vatios. A su vez se observa varios picos de potencia máxima en el año lo cual permite una considerable carga del sistema durante el año. También es importante tener en cuenta que así como hay horas con buena producción asimismo hay horas en donde la producción es baja o casi cero como se observa en la Gráfica 10.
4.7 Energía producida por el generador eólico
La energía producida por el generador en vatios por hora se obtiene al multiplicar la potencia en vatios por el tiempo en horas. A continuación se muestra en la Tabla 10 se muestra los resultados obtenidos de la simulación TRNSYS 17 en periodos mensuales para un año.
74
Tabla 10. Producción mensual (Wh) para un año.
Fuente 46. Propia.
En la Tabla 10 se observa que el mes con mayor producción es julio 878,89 Wh y el de menor es abril con 568,89 Wh.
4.7.1 Consumo
Se tiene que el consumo podría ser durante 4 a 6 horas. Para ellos se comprobara el comportamiento para una lámpara con potencia de 20 W (reflector led con la mejor relación iluminación vs consumo) hasta encontrar el valor en horas que cumple con una diferencia positiva entre el consumo de la lámpara y la producción del generador. A su vez se tiene en cuenta el consumo de un medidor de voltaje y amperaje para conocer la producción del generador.
Para dos lámparas de 20 W para cuatro horas
Se tiene una potencia de consumo total
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎 = (20𝑊)(2) = 40𝑊 Ec. (29)
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜𝑟 = 0,24 𝑊 Ec. (30)
Se tiene que el consumo de energía diario está dado por la Ecuación 31.
75
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 = (40𝑊) (4ℎ
𝑑𝑖𝑎) + (0,24𝑊) (24
ℎ
𝑑𝑖𝑎) = 165,76
𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎 Ec. (31)
A su vez el consumo de energía mensual descontando los fines de semana se muestra a continuación con la Ecuación 32.
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = (165,76𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎) (22
𝑑𝑖𝑎
𝑚𝑒𝑠) = 3646,72 (
𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎) Ec. (32)
De lo anterior si se compara el valor de la Ecuación 32 con la producción mensual de la tabla 10 se tiene que ningún mes cumple con la producción para suplir el consumo como se muestra en la Tabla 11.
Tabla 11. Producción, consumo y diferencia mensual
Fuente 47. Propia
En la Tabla 11, se aprecian diferencias negativas entre generación y consumo de energía bastante significativas, entonces se decide disminuir la potencia de la luminaria de 40 W a 20 W, y así realizar un análisis de energía consumida durante las 4 horas durante los 22 días del mes.
76
Para una lámpara de 20 W durante cuatro horas
Se tiene una potencia de consumo total de
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎 = 20𝑊 Ec. (33)
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜𝑟 = 0,24 𝑊 Ec. (34)
Se tiene un consumo diario que está dado por la Ecuación 35.
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 = (20𝑊) (4ℎ
𝑑𝑖𝑎) + (0,24𝑊) (24
ℎ
𝑑𝑖𝑎) = 85,76
𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎 Ec. (35)
A su vez el consumo de energía mensual descontando los fines de semana se muestra a continuación.
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = (85,76𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎) (22
𝑑𝑖𝑎
𝑚𝑒𝑠) = 1886,72 (
𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎) Ec. (36)
De lo anterior si se compara con la producción mensual de la Tabla 10 se tiene que ninguno de los meses cumple con la producción para suplir el consumo de la Ecuación 36 como se muestra en la Tabla 12.
Tabla 12. Producción, consumo y diferencia mensual
Fuente 48. Propia
77
En la Tabla 12, se observa que la diferencia entre la energía generada y la consumida es negativa, es decir que se consume más de lo que se genera, lo que ocasiona que la batería se someta a descargas profundas, lo cual es nocivo, ya que reduce la vida útil de las mismas, y es necesario plantear que el tiempo de consumo sea menor a dos horas.
Para una lámpara de 20 W durante para una hora
Se tiene una potencia de consumo total de
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑙𝑎𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎 = 20𝑊 Ec. (37)
𝑃𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜𝑟 = 0,24 𝑊 Ec. (38)
Un consumo de energía diario de
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 = (20𝑊) (1ℎ
𝑑𝑖𝑎) + (0,24𝑊) (24
ℎ
𝑑𝑖𝑎) = 25,76
𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎 Ec. (39)
A su vez el consumo de energía mensual descontando los fines de semana se muestra a continuación.
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑠𝑢𝑎𝑙 = (25,76𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎) (22
𝑑𝑖𝑎
𝑚𝑒𝑠) = 566,72 (
𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎) Ec (40)
De lo anterior si se compara con la producción mensual de la Tabla 10 se tiene todos los meses cumplen con la producción para suplir el consumo como se muestra en la Tabla 13.
78
Tabla 13. Producción, consumo y diferencia mensual
Fuente 49. Propia
Según la Tabla 13 se aprecia una diferencia positiva entre la producción y consumo durante los meses, por lo tanto, el consumo de la lámpara de 20 W más el medidor es sustentablemente durante una hora, garantizando que la batería no será sometida a descargas profundas que disminuyan la vida útil de la misma.
4.8 Dimensionamiento de la batería
Tomando en cuenta el análisis de la Tabla 13, se tiene que el generador es capaz de suplir el consumo de un reflector led de 20 W durante una hora, por lo cual se procede a dimensionar las baterías para este consumo teniendo en cuenta que tenga al menos 7 días de autonomía con el fin de evitar de descargas profundas debido al cambio errático de las condiciones climáticas y en caso de necesitar alguna conexión de equipo adicional y por supuesto con el fin de poder almacenar la mayor cantidad energía que llega del generador.
El consumo de energía media diaria es de
𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 = (20𝑊) (1ℎ
𝑑𝑖𝑎) + (0,24𝑊) (24
ℎ
𝑑𝑖𝑎) = 25,76
𝑊ℎ
𝑑𝑖𝑎 Ec. (41)
Por otro lado se tiene que la tensión y la batería es de:
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 = 12𝑉
79
𝐷𝑖𝑎𝑠𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 = 7 𝑑𝑖𝑎𝑠
A su vez se tiene que el rendimiento de la batería-regular, inversor se muestra a continuación.
𝜂𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎−𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 0,7
𝜂𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 = 0,85
Por lo anterior se tiene que el rendimiento total está dado por la Ecuación 42.
𝜂𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝜂𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎−𝑟𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟)(𝜂𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟) = 0,595. Ec (42)
También se tiene que la profundidad de descarga máxima es
𝑃𝑑𝑚𝑎𝑥 = 0,7 Ec. (43)
De lo anterior se tiene que el consumo medio diario está dado por la Ecuación 44
𝑄𝑑 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎= 2,1466
𝐴ℎ
𝑑𝑖𝑎 Ec (44)
Por lo cual se tiene que la capacidad de la batería considerando el rendimiento total y la profundidad de descarga se muestra en la Ecuación 53.
𝐶𝑛 =(𝑄𝑑)(𝐷𝑖𝑎𝑠𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎)
(𝜂𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙)(𝑃𝑑𝑚𝑎𝑥)= 36,078
𝐴ℎ
𝑑𝑖𝑎 Ec. (45)
Además se tiene que el tiempo de uso diario y el tiempo final del periodo de autonomía se muestran en la Ecuación 54 y 55 respectivamente.
𝑡𝑑 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎=
25,76
20= 1,288 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 Ec. (46)
80
𝑡𝑎 =(𝐷𝑖𝑎𝑠𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎)(𝑡𝑑)
𝑃𝑑𝑚𝑎𝑥= 12,880 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 Ec. (47)
Por lo anterior se tiene que se debe tener una batería de 12 V con un amperaje mayor a 36.07 Ah por lo cual se ha optado por escoger una batería de 40 Ah.
4.9 Selección de la batería
Se realizó una matriz de decisión teniendo en cuenta factores como costo, tamaño, durabilidad y garantía, se realizaron diferentes cotizaciones llegando a la conclusión que la mejor opción es una batería AGM seca de la empresa Amvar World como se observa en la Tabla 14.
Tabla 14. Matriz de decisión para batería
Fuente 50. Propia
4.10 Selección del inversor
Para la selección del inversor, se tuvo en cuenta el factor costo y el factor de vatios de potencia, debido a que en el mercado se consigue de mínimo 100 W, se procedió a un proceso de cotización para determinar el que admitirá más potencia a más bajo costo.
Costo: factor determinante (12/20)=0,6
Potencia admitida: factor de sobredimensionamiento (8/20)=0,4
Opción 1: Inversor Duracell de 450 W. Precio $159900
Por lo tanto, se asigna un valor al ítem “costo” 3/10 y un valor al ítem “potencia admitida” de 9/10 para la matriz de decisión.
Opción 2: Inversor Haitrall de 200 W. Precio $92000
Por lo tanto, se asigna un valor al ítem “costo” 6/10 y un valor al ítem “potencia admitida” de 5/10 para la matriz de decisión.
Opción 3: Inversor Doxin de 300 W. Precio $74000
OPCIONES RANGO
VALORPONDERACIÓN
(FACTOR 0,5)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,2)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,2)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,1)
PUNTUACIÓN
MAX. 10
Amvar World 8 4 8 1,6 8 1,6 7 0,7 7,9
Generencia ELLCA 8 4 7 1,4 7 1,4 6 0,6 7,4
Ambiente y
soluciones6 3 8 1,6 7 1,4 7 0,7 6,7
imsoltec 5 2,5 8 1,6 10 2 6 0,6 6,7
COSTO TAMAÑO DURABILIDAD GARANTIA
81
Por lo tanto, se asigna un valor al ítem “costo” 9/10 y un valor al ítem “potencia admitida” de 7.5/10 para la matriz de decisión.
Opción 4: Inversor Whistler de 200 W. Precio $99900
Por lo tanto, se asigna un valor al ítem “costo” 7/10 y un valor al ítem “potencia admitida” de 5/10 para la matriz de decisión.
Teniendo en cuenta lo anterior, se realizó una matriz de decisión llegando a la conclusión que la mejor opción es el inversor Doxin de 300 W como se aprecia en la Tabla 15.
Tabla 15. Matriz de decisión inversor
Fuente 51. Propia
4.11 Selección del programador
Para la selección del programador, el cual debe regular el horario de encendido y apagado de la iluminación, se consideraron los siguientes parámetros, donde para cada alternativa se le otorgará un valor de 1/10 por parámetro y se multiplicará por el valor de ponderación correspondiente:
Costo: Al ser un factor determinante en el proyecto, se asigna una ponderación de 12/30=0, 4.
Programabilidad: Como se cuenta con una cantidad de energía limitada, es importante usarla sólo cuando se necesite, en horarios exactos. Se asigna un valor 10/30.= 0,3333
Respaldo y garantía: Éste factor determinará si debe construirse o debe comprarse el producto en el mercado, debido a que el producto de fábrica viene con garantía y respaldo, mientras que el de fabricación rústica no. Valor asignado: 8/30.=0.26667
OPCIONES RANGO
VALORPONDERACIÓN
(FACTOR 0,6)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,4)
PUNTUACIÓN
MAX. 10
DURACELL 450W 3 1,8 9 3,6 5,4
HAITRAL 200W 6 3,6 5 2 5,6
DOXIN 300W 9 5,4 7,5 3 8,4
WHISTLER 300W 7 4,2 5 2 6,2
COSTO POTENCIA
82
4.11.1 Alternativas de selección del programador
Construcción propia
Figura 27. Luz nocturna automática
Fuente Videorokola33
El costo aproximado de los materiales es de $30000-$40000, por lo tanto el costo relativo es bajo y se asignará un puntaje máximo al ítem de “costo” de 10 puntos, que será el valor que se aplicará en la matriz de selección.
Programabilidad: Al ser un circuito que sólo enciende la iluminación cuando hay ausencia de luz, realmente sus horarios de encendido son variables, y relativamente largos si tenemos en cuenta que el horario de iluminación es de 6-7 pm y 8-9 pm (2 horas) mientras que el circuito lo hace por aproximadamente 12. Por lo tanto, la Programabilidad es casi nula y es 3 veces mayor el tiempo de consumo al que se espera consumir, se asignará un valor de 3/10 al ítem “Programabilidad” de la matriz de selección.
Respaldo y garantía: Al ser un producto de fabricación rústica no cuenta con respaldo y garantía, por lo tanto, se asignará un valor: 1/10 en el ítem “respaldo y garantía” de la matriz de selección.
Programador semanal tipo excelite:
El costo aproximado es de: $35000. Debido a que el costo relativo es bajo y se asignará un puntaje máximo al ítem de costo de 10/10 puntos, que será el valor que se aplicará en el ítem de “costo” de la matriz de selección.
Programabilidad: Éste aparato cuenta con 10 funciones diferentes que van desde 1 minuto, hasta 24 horas/ día. Con ésta función se puede adaptar el encendido a las condiciones de carga del sistema. Al tener una gama de rangos exactos de encendido y apagado, se le otorgará la máxima puntuación de 10/10 en el ítem “Programabilidad” de la matriz de selección.
__________________
33Ac E. Luz nocturna automática. Disponible en :http://construyasuvideorockola.com/proyect_luz_automatica.php. Acceso 25 de octubre del 2016
83
Respaldo y garantía: es un producto sellado de fábrica, el cual cuenta con garantía de 6 meses, por lo tanto se asignará un valor: 8/10 en el ítem de “respaldo y garantía “de la matriz de selección.
Figura 28. Programador semanal
Fuente 52. Fuente propia.
De acuerdo a lo anterior se construyó una matriz de decisión llegando a la conclusión que la mejor opción era el modelo Excelite como se evidencia en la Tabla 16.
Tabla 16. Matriz de selección del programador semanal.
Fuente 53. Propia
4.12 Selección de la iluminación
Para las luces se tuvieron en cuenta factores como la eficiencia, el costo, la durabilidad, la luminosidad y el consumo en vatios. Se procede a seleccionar iluminación tipo LED, en éste caso según FENERCOM27 , los LED tienen tecnología de alta eficiencia respecto a la iluminación de halógenos o de filamento, debido a que los LED no desperdician tanta energía en calor. Además, se debe tener en cuenta que la iluminación debe tener protección frente a factores ambientales, por lo cual se elige que sean con protección tipo IP65; donde el 6 significa protección contra partículas sólidas, y el 5 significa protección contra la lluvia, Según FENERCOM27 este es el tipo de protección para exteriores.
__________________
27 FENERCOM. Op. Cit., p 40-50.
OPCIONES RANGO
VALORPONDERACIÓN
(FACTOR 0,4)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,333)VALOR
PONDERACIÓN
(FACTOR 0,266)
PUNTUACIÓN
MAX. 10
Fabricación propia 10 4 3 0,999 1 0,266 5,265
Modelo EXCELITE 10 4 10 3,33 8 2,128 9,458
COSTO PROGRAMABILIDAD GARANTIA
84
La potencia de iluminación, según el análisis de estado transitorio hecho en TRNSYS, se elige una iluminación de 20 W por efectos de disponibilidad energética. Y para simplificar la instalación y costos de montaje, se elige una sola lámpara de 20 W.
Se procede a buscar el producto en el mercado, con las siguientes características:
Reflector LED con protección IP 65, con un consumo de 20 W, Costo reducido, gran durabilidad en horas de trabajo.
Se encuentra un reflector LED IP 65 de 20 W, con una luminosidad de 1400 Lm, un voltaje de trabajo de 120 Voltios.
Figura 29. Reflector LED de 20W Tipo IP65
Fuente propia
Se calcula la eficiencia de la luminaria, en éste caso está dada por la Ecuación 17.
𝜂 =1400𝑙𝑚
20𝑊= 70
𝑙𝑚
𝑊 Ec. (48)
Posteriormente, la lámpara es comprada por tener un bajo costo de adquisición, comparado con otros de características similares.
Selección del cableado: Para la selección del cableado hay que tener en cuenta la corriente, el voltaje y la potencia eléctrica que fluirá por la red, en éste caso, la red está dividida en secciones después del regulador y después de la batería:
85
Tabla 17. Corriente, voltaje y potencia en los acoples eléctricos
Fuente propia
Comparando con la Tabla 18 de intensidad máxima de corriente admisible en función de la sección del cable Se puede observar que el cableado de sección 1,5 mm2, cumple con los requerimientos de potencia e intensidad a 12 V, debido a que en estos valores, la corriente es mayor que en otros valores de voltaje, se tomará por suficiente a la que va después del inversor. Sin embargo el regulador y la lámpara vienen con un cableado de calibre 12 (sección equivalente a 2,5 mm2), por lo tanto, se elige el cable AWG calibre 12 multifilar para toda la instalación
Tabla 18. Intensidad de corriente máxima admisible en función de la sección del cable AWG
Fuente 54. Prieto Moreno R. ¿Cómo hacer el cálculo de la sección de los cables en una instalación eléctrica?34
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34 Prieto Moreno R. ¿Cómo hacer el cálculo de la sección de los cables en una instalación eléctrica? - Energías renovables y limpias: solar, eólica, geotérmica, hidráulica, mareomotriz,... energias, renovables y limpias. Disponible en: http://energias-renovables-y-limpias.blogspot.com.co/2012/09/calculo-seccion-cables-instalacion-electrica.html. Accesso 24 de octubre de 2016.
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5. INSTALACIÓN Y MONTAJE
El montaje y la instalación se realizaron en el mismo sitio donde se encuentra el rotor Savonius es decir en el lote El Ensueño, debido a la dificultad de transportar el generador eólico a otro sitio.
Para la instalación se siguieron los siguientes pasos.
1. Instalación caja de seguridad del generador
Para ello se tuvo en cuenta el espacio disponible, y con base a esto se fabricó la caja con un tamaño de 14 cm de alto por 14 cm de profundidad y 25 cm de ancho. Para asegurar la óptima sujeción de la misma se utilizaron remaches de aluminio de 3/16 de pulgada repartidos de tal forma que evitaran que la caja se desprendiera al momento de funcionar la transmisión.
2. Instalación del generador
Con base al espacio disponible en la caja se optó por hacer dos ranuras de una pulgada de ancho para facilitar la instalación del generador en la caja, ya que este constaba con un eje largo que imposibilitaba la instalación del mismo, labor apreciada en la siguiente Figura 30.
Figura 30. Caja con ranuras para ensamblar el generador
Fuente 55. Propia
3. Instalación caja de elementos de control
Teniendo en cuenta las dimensiones de los elementos de control se dimensionó la caja para que todos los equipos como: batería, regulador, inversor, programador y voltimetro-amperimetro entraran de forma sencilla y se pudieran manipular fácilmente, en caso de ser necesario. Cabe aclarar que se utilizaron como elementos de sujeción remaches de 3/16 de pulgada.
87
4. Instalación transmisión
Para esto se utilizó la transmisión por cadena existente del proyecto anterior y se modificó de tal modo que se adaptará a las necesidades del generador. Se compraron nuevos elementos como piñones, cadena y tensor.
5. Instalación tubería de conexión
Se tuvo en cuenta la distancia entre la caja del generador, la caja de los elementos de control y la lámpara para dimensionar las conexiones con cable a realizar, para proteger las mismas se utilizó tubería PVC conduit junto con pegante de tubería para evitar que se filtre el agua, del mismo modo se utilizaron accesorios como unión, curvas, codos y terminales que facilitaron el transporte y la protección del cable para las conexiones.
6. Conexiones elementos de control
Las conexiones se realizaron con el generador frenado para ello primero se conectó los tres cables del generador al regulador mediante terminales en este paso no importaba la polaridad porque se trataba de corriente alternar trifásica, posteriormente se procedió a conectar los cables del regulador al voltimetro-amperimetro y luego a la batería teniendo en cuenta la polaridad de los mismos. A su vez se conectaron la batería al inversor teniendo en cuenta la polaridad de los cables y luego se conectó programador al inversor.
Figura 31. Conexiones de elementos de control.
Fuente 56. Propia
7. Conexiones de las lámparas:
Utilizando una clavija se conectó la lámpara al programador teniendo en cuenta la nomenclatura de conexión de fase, neutra y tierra.
88
8. Finalmente se evidencia que el área de impacto de la iluminación no es la esperada, porque el rotor se encuentra significativamente lejos del área de parqueo, sin embargo, a se muestra el esquema del sistema en funcionamiento y su funcionamiento en la Figura 32 y 33 respectivamente.
Figura 32. Esquema del sistema
Fuente 57. Propia
Figura 33. Sistema en funcionamiento
Fuente 58. Propia
89
6. COSTOS DE FABRICACIÓN
En la Tabla 19 se muestra un listado de los costos de fabricación del sistema de iluminación. El costo total del prototipo fue $1.936.400, que están repartidos principalmente en trece ítems de los cuales el de mayor costo fue el generador de imanes permanentes, debido a las aduanas y el costo de importación, por otro lado la batería representa un costo significativo, ya que su valor dependía de características como profundidad de descarga y tipo de electrolito.
Se evidencio un sobrecosto, puesto que se tuvo en cuenta el mantenimiento del generador eólico que sufrió daños debido la fatiga, así mismo el intento de utilizar un alternador, junto a la modificación que se le hizo aumentó sustancialmente el costo del proyecto más de lo esperado.
El ítem de elementos de fijación y varios, incluye compra de tornillos, remaches, tubos, pegante, cables, terminales y materiales imprevistos, que pudieron necesitarse en el montaje del dispositivo.
Tabla 19. Costos de fabricación
Fuente propia
DESCRIPCIÓN COSTO FUENTE DE FINANCIACIÓN
VOLTIAMPERIMETRO 22.000$ ESTUDIANTE
PROGRAMADOR 35.000$ ESTUDIANTE
TRANSIMISON DE POTENCIA 50.000$ ESTUDIANTE
ELEMENTOS DE FIJACION Y VARIOS 50.000$ ESTUDIANTE
INVERSOR 74.000$ TUTOR
REFLECTOR LED 39.000$ ESTUDIANTE
ALTERNADOR 90.000$ ESTUDIANTE
ESTRUCTURA(CAJAS) 100.000$ ESTUDIANTE
ARREGLO ALABES 100.000$ ESTUDIANTE
REGULADOR 120.000$ ESTUDIANTE
BANCO ALTERNADOR 150.000$ ESTUDIANTE
BATERIA 245.000$ ESTUDIANTE
GENERADOR DE IMANES PERMANENTES 861.000$ ESTUDIANTE
MANO DE OBRA 2.400.000$ ESTUDIANTE
TOTAL 4.336.000$
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7. RESULTADOS
7.1 Funcionamiento
El sistema de carga de la batería funciona con velocidades del viento mayores a 4 m/s y una velocidad de giro mayor a 73 rpm para el rotor eólico. Por otra parte, la velocidad de arranque del generador es de 2,5 m/s y no necesita ningún tipo de ayuda para que inicie su funcionamiento.
7.2 Potencia generada y eficiencia del sistema mediante pruebas experimentales
Se determinó experimentalmente la eficiencia total del sistema en función de la velocidad del viento, para ello primero se midió la potencia generada que llega a la batería, con el medidor de voltaje-amperaje, en función de la velocidad del viento. Como segunda instancia se calculó la potencia del viento con los mismos datos la velocidad del viento y las características del rotor de acuerdo a la Ecuación 1. Por ultimo conociendo la potencia generada del sistema y la potencia del viento, ambas en función de la velocidad del viento, se calculó la eficiencia total como el cociente entre la potencia generada y la potencia del viento.
Se realizó mediciones de micro ciclos para determinar la potencia generada y la eficiencia total del sistema durante 6 minutos y se obtuvieron 120 datos. Las mediciones se efectuaron en la hora de la tarde, debido a que el mayor potencial de viento se encuentra a estas horas por el diferencial de temperatura. Por lo anterior se tiene la Gráfica 12 de la eficiencia total del sistema en función de la velocidad del viento.
Gráfica 12. Eficiencia total del sistema en función de la velocidad del viento
Fuente 59. Propia
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0 1 2 3 4 5 6 7 8
EFIC
IEN
CIA
TO
TAL
DEL
SIS
TEM
A
VELOCIDAD (m/s)
Eficiencia total en funcion de lavelocidad del viento
91
De la Gráfica 12 se tiene que la eficiencia máxima de todo el conjunto no supera el 8%. Esto demuestra que la eficiencia global de todo el sistema es baja si se considera el porcentaje de energía que se puede extraer del viento, ya que de acuerdo al modelo de Gourieres la máxima energía extraíble es del 30% y de este porcentaje solo como máximo el 8% se transforma en energía eléctrica que llega a la batería.
A su vez se puede observar en la Gráfica 12 que la mayor eficiencia se consigue a velocidades de 3,5 m/s a 4 m/s, valores cercanos a la velocidad media proporcionada por Lugo Daniel & Bejarano Laura de 3.3 m/s de acuerdo al diseño del generador de 10 W.
Asi mismo con la toma de datos anterior se tiene tambien la Grafica 13 de la potencia generada en funcion de la velocidad del viento.
Gráfica 13. Potencia generada en función de la velocidad del viento
Fuente 60. Propia
De la Gráfica 13 se tiene que el generador eléctrico empieza a producir corriente a partir de una velocidad superior a los 3.5 m/s, a su vez se observa que la máxima producción del mismo está alrededor de los 19 W a una velocidad de 7,3 m/s.
7.3 Tiempo de iluminación
Debido a la poca producción del generador y la baja eficiencia se ha optado por reducir el tiempo de iluminación a 15 minutos, para evitar la descarga profunda de las baterías a causa de la limitación energética provenientes de las condiciones locales y del mismo sistema. A su vez se realizaron pruebas para la medición de carga y descarga en función del voltaje de la batería para tiempos de 1 hora, 30 minutos y 15 minutos llegando a conclusión que la mejor opción es la de 15 minutos.
0
5
10
15
20
25
1,1
3
1,7
6
2,0
2
2,2
6
2,4
2,5
6
2,8
1
2,9
6
3,1
9
3,4
6
3,6
2 4
4,1
2
4,3
2
4,5
9
4,8
5
5,3
9
5,5
4
5,9
1
6,7
1
PO
TEN
CIA
GEN
ERA
DA
(W
)
VELOCIDAD DEL VIENTO (m/s)
"Potencia generada en funcion de lavelocidad del viento"
92
De acuerdo a lo anterior la vida útil de la batería está dada para 1200 ciclos de acuerdo a las especificaciones de la batería. A su vez se estima que el valor de descarga máximo sea de 10 V sin embargo por seguridad el inversor corta los consumos si detecta un voltaje menor a 10,4 V. A sí mismo en caso de una descarga profunda el sistema en condiciones climáticas favorables se demora en cargar completamente una semana.
93
8. CONCLUSIONES
1. Se mejoró el desempeño del rotor como se observa en la sección 4.1 y 4.2 permitiendo optimizar características como menor ruido y por ende, disminuyendo las perdidas debido a la fricción.
2. Se evidencia en las medidas tomadas en la sección 4.2 que la media de las revoluciones del rotor es de 78 rpm para la velocidad medida de 3.3 m/s Por otra parte se evidencia que en la Gráfica 2 una tendencia lineal de las rpm del rotor en función de la velocidad del viento y presenta una dispersión moderada, debido a la precisión de los equipos y la forma de medición.
3. En la sección 4.2 en la Gráfica 3 del torque de arranque en función de la velocidad del viento se observa que existe una relación casi lineal entre la velocidad del viento y el torque del rotor, por otro lado se observa que el rango de torque de trabajo se encuentra entre 0 a 4 Nm que es donde se encuentra el rango medio de trabajo del generador 2 a 4 m/s. A su vez la media del torque es de 1.4 Nm para la velocidad media de 3.3 m/s del lugar en donde se encuentra el generador.
4. Se constata que la transmisión por cadena cumple con los requerimientos de selección, a su vez se recomienda una lubricación como mantenimiento preventivo cada quince días con el fin de evitar daños por el tiempo de servicio.
5. Se demostró que el uso de un alternador de carro o una modificación del mismo no funciona como generador eléctrico para bajas revoluciones, debido a que el régimen de revoluciones de trabajo de estos dispositivos es muy alto, incluso si se utiliza una trasmisión, por este motivo la mejor opción fue trabajar con equipos que están diseños para aplicaciones en energía eólica como los generadores PMA de baja velocidad-
6. A partir de la simulación del proceso en TRNSYS 17 es posible asistir en la iluminación del parqueadero con un reflector led de 20 W con 1400 lumen durante 1 hora diaria, al tener en cuenta la energía extraíble del viento y la de consumo, donde para 1 hora diaria el consumo es ligeramente menor al de energía promedio generada.
7. Sin embargo, se determinó experimentalmente que el límite de iluminación diario debería ser como máximo de 15 minutos para evitar que haya un diferencia negativa entre el consumo y la producción, a su vez para garantizar la iluminación durante los cincos días a la semana. En vista de lo anterior se tiene una diferencia grande entre lo determinado teóricamente y lo experimental, pues se reduce el tiempo de iluminación de 1 hora a 15 minutos, dado a factores como la precisión del modelo de Gouriérés y sobre todo a las condiciones climáticas locales.
94
8. Se determinó con el análisis hecho bajo simulación TRNSYS 17 que el potencial eólico no es suficiente para suplir el consumo de una reflector led de 40 W o 20W durante cuatro horas, debido a que la eficiencia y la potencia producida bajo el modelo de Gouriéres es baja como se aprecia en la sección 4.6. A su vez se aprecia que en la gráfica de potencia generada los valores de velocidad del viento aprovechable son desde los 2 m/s hasta los 8 m/s que es la velocidad máxima registrada.
9. Se reflejó una aceptable diferencia entre los datos tomados experimentalmente de la potencia generada y la hallada bajo el modelo Gouriéres como se evidencia en la sección 4.6.2, en el caso de la eficiencia global se evidenció que esta presenta un comportamiento bajo si se compara con la energía extraíble del viento.
10. De acuerdo a los datos obtenidos experimentalmente, el rotor con carga, arrancaba a partir de los 2,5 m/s, comparado al rotor sin carga que arrancaba a los 1,2 m/s, mostrando una diferencia del 208%, por lo tanto, la velocidad de giro máximo también se ve limitada a un máximo de 100 rpm a diferencia de las 130 rpm cuando estaba sin carga. Teniendo en cuenta la eficiencia máxima de todo el sistema 8% se determina que a velocidades de viento mayores a 3,5 m/s el rotor genera corriente para cargar la batería, donde a dicha velocidad el rotor gira alrededor de las 73 rpm, por lo tanto, el sistema es funcional a partir de las 73 rpm del rotor.
11. De acuerdo a las mediciones realizadas, el rotor conectado al sistema de generación empieza a girar a velocidad de viento de 2,5 m/s, sin embargo, el volti-amperímetro empieza a registrar corriente a velocidades de viento mayores a 3,5 m/s, donde se resalta el hecho de que se alcanzó una mayor potencia de 19 W a velocidad del viento de 7.2 m/s.
12. Se determinó experimentalmente que el límite de iluminación diario como máximo debería ser 15 minutos para evitar que haya un diferencia negativa entre el consumo y la producción, a su vez para garantizar la iluminación durante los cincos días a la semana. En vista de lo anterior se tiene una diferencia grande entre lo determinado teóricamente y lo experimental, pues se reduce el tiempo de iluminación de 1 hora a 15 minutos, dado a factores como la precisión del modelo de Gouriérés y sobre todo a las condiciones climáticas locales.
13. Éste tipo de sistemas es viable siempre y cuando los consumos energéticos sean pequeños, como sistemas de iluminación de bajo consumo y tiempo de iluminación reducido, es decir menores a 50W, esto se debe a que las turbinas eólicas Savonius, tienen un eficiencia baja si se compara con otras turbinas .
14. A la Fecha se tiene un artículo titulado COMPROBACIÓN DEL MODELO TEÓRICO DE GOURIÉRÉS PARA DETERMINAR LA POTENCIA DE ROTORES SAVONIUS que está en trámites para presentar a la revista de Ecopetrol.
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RECOMENDACIONES
1. En éste proyecto se contó con un espacio disponible escaso para el montaje, debido a que la estructura del rotor cuenta con una serie de platinas de refuerzo justo a los lados del eje del mismo, por lo tanto, se recomienda tener en cuenta para prototipos posteriores dejar un espacio más amplio en el área que rodea al eje para la adaptación tanto de la transmisión, como para el mismo sistema de generación.
2. Se recomienda una lubricación como mantenimiento preventivo de la transmisión cada quince días con el fin de evitar daños por el tiempo de servicio.
3. Debido a su baja producción del generador eólico se recomienda complementar el sistema con otras energías alternativas como la solar para tener un sistema de cogeneración que mejore la producción y la eficiencia global del sistema.
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