I n t r o d u c c i n

Actualmente Mxico consume un elevado nivel de energas que procede fundamentalmente del petrleo, el principal inconveniente de los combustibles fsiles es que se agotan y que el consumo a gran escala crea graves problemas ecolgicos y medioambientales.

Como lo expone la sener[footnoteRef:1], en 2008 la creacin de energa generada dentro de la Republica Mexicana proviene en un 75.3% de la quema de combustibles fsiles, 2.4% de la energa nuclear, 19.0% de plantas hidroelctricas y nicamente el 3.3% de fuentes de energas renovables, entre ellas las plantas elicas. Desde esta perspectiva, es necesario realizar innovaciones y fuentes alternas de produccin de energas que sean menos agresivas con el medio ambiente y que nos proporciones las pautas necesarias para generar una estabilidad ecolgica, con base a lo establecido por el proyecto Kyoto. [1: Secretara de Energa en Mxico, que tiene como principal objetivo que es conducir la poltica energtica del pas.]

Con el objetivo de reducir los riesgos inherentes a la dependencia de los combustibles fsiles y la conviccin de incorporar el concepto de sustentabilidad en los hogares mexicanos el proyecto Transformando la energa cre un prototipo que genera electricidad, contrarrestando los ndices de contaminacin a travs de la utilizacin de las energas alternativas como lo es el viento. El artefacto tecnolgico tiene como principal funcin generar electricidad utilizando el viento para mover una hlice que produce energa cintica y esta a su vez es transformada en energa elctrica a travs de un sistema de transmisin mecnico haciendo girar el rotor de un generador que transformara esta energa en electricidad.

La construccin y desarrollo del prototipo tiene impacto en dos elementos bsicos, el econmico pues al utilizar el prototipo se satisface la necesidad de poseer electricidad dentro de los hogares; y el impacto ecolgico debido a que la produccin de energa a partir de este prototipo es derivada de la energa elica y el 90% de nuestros materiales de fabricacin son reutilizados.

P l a n t e a m i e n t o d e l p r o b l e m a

La energa es la fuerza vital de cualquier sociedad, de ella depende la iluminacin de los espacios, la produccin de calor y enfriamiento, el transporte de productos y personas, el procesamiento, produccin y preparacin de alimentos, y el funcionamiento de todas las industrias. Por tanto, la produccin y utilizacin de la energa es un elemento fundamental para lograr el desarrollo de cualquier sociedad.

En un inicio, la principal fuente de energa era la fuerza obtenida de los animales as como el calor obtenido al quemar la madera, sin embargo el desarrollo cientfico y tecnolgico colabor para desarrollar mquinas con las que aprovechaba la fuerza hidrulica para moler cereales o preparar el hierro para su moldeamiento, as mismo fue utilizada la energa del viento en los barcos y en los molinos de viento. Sin embargo no fue hasta el siglo XVIII con la invencin de la mquina de vapor (impulsada a partir de la quema de carbn) y la industrializacin, lo que dio inicio a la revolucin industrial y de igual forma, a una revolucin en la obtencin y produccin de energa.

A travs de los aos el desarrollo de la industria y la tecnologa han cambiado drsticamente, actualmente la generacin de energa proviene principalmente de la industrializacin de los combustibles fsiles[footnoteRef:2] principalmente el carbn, petrleo y gas, estos se han convertido en la base del funcionamiento de las industrias conformndose como una base para el desarrollo nacional de cualquier pas. A travs de la utilizacin de estos tres combustibles fsiles se ha desarrollado la mayor parte de la industria, el transporte y generacin de la electricidad en la actualidad. [2: Un combustible fsil es un elemento utilizado para la obtencin de energa que est compuesto por restos de vegetales y otros organismos que fueron sepultados hace millones de aos que por la accin de microorganismos y bajo ciertas condiciones de presin y temperatura se han transformando en estos compuestos. El carbn se form a partir de plantas terrestres y el petrleo y el gas natural a partir de microorganismos y animales principalmente acuticos ]

El carbn, el petrleo y el gas (como materia prima para la produccin de energa) han permitido un avance sin precedentes en la historia humana, pero son fuentes de energa que denominamos no renovables. Esto significa que han tardado en formarse miles de aos y son consumidos rpidamente, por tanto las reservas van disminuyendo a un ritmo creciente. As mismo debemos tomar en cuenta que a travs de la quema de estos combustibles estamos agotando un recurso del que se pueden obtener otros productos necesarios como medicamentos y plsticos.

La energa se obtiene al quemar estos elementos, proceso en el que se forman grandes cantidades de xido de nitrgeno (NO), Dixido de carbono (CO2), Dixido de Azufre (NaO2) y otros gases contaminantes que se emiten a la atmsfera. Estos gases se acumulan en la atmsfera provocando el efecto invernadero, la lluvia cida y la contaminacin por derrames de petrleo.

En la dcada de los ochenta, aparecen evidencias de un aumento en las concentraciones de gases que provocan el efecto de invernadero en la atmsfera terrestre, las cuales han sido atribuidas, en gran medida, a la quema de combustibles fsiles. Esto trajo como resultado una convocatoria mundial para buscar alternativas de reduccin de las concentraciones actuales de estos gases, lo que llev a un replanteamiento de la importancia que pueden tener las energas renovables para crear sistemas sustentables.

Pese a los acuerdos internacionales, la mayor parte de la energa utilizada proviene de la quema de combustibles fsiles, tal es el caso de la produccin de energa elctrica en Mxico de la cual se estima que la capacidad instalada para la generacin de energa elctrica en Mxico es en un 70% de combustibles fsiles[footnoteRef:3]. [3: Datos obtenidos de la Secretaria de Energa (SENER) en Mxico.]

Capacidad instalada para la generacin de la energa elctrica en Mxico

Grfico 1. Esquema que nos muestra los tipos de instalaciones utilizadas en Mxico para la generacin de energa elctrica. Fuente: Secretaria de energa en Mxico (sener).

La energa elctrica es un elemento fundamental para el desarrollo de un pas, en la medida en la cual sus habitantes puedan poseer un servicio eficiente el desarrollo de las actividades econmicas y de salud se llevar a cabo ptimamente.

En una encuesta aleatoria realizada a la comunidad de Jaltepec con respecto a su servicio de luz elctrica obtuvimos lo siguiente:

En promedio la electricidad consumida en la poblacin es de 317 KW/h. El servicio de luz de la comunidad es interrumpido constantemente por dos factores: fallas tcnicas y extraccin ilegal del cableado. Cuando el servicio elctrico es interrumpido, el 90% de la poblacin manifiesta necesitar iluminacin para continuar con sus actividades, es decir prefiere poseer una fuente de iluminacin (foco) que tener una aparato elctrico conectado (televisin o radio). El 98% de la poblacin considera ineficiente el servicio de electricidad en la comunidad y consideran que el uso de energas alternas seria una solucin viable para el problema de electricidad.

Sin embargo, el acceso a la cultura de sustentabilidad dentro de las pequeas comunidades como lo es la comunidad de Jaltepec, Axapusco es casi inexistente, la produccin de energa y dems procesos continan produciendo un sinfn de estragos al medio ambiente, todo esto debido principalmente a la falta de cultura de sustentabilidad e infraestructura necesaria.

Para lograr un cambio verdadero que se proyecte en el equilibrio ecolgico es necesario el desarrollo de pequeas acciones promuevan el cambio desde los hogares, pero sobre todo desde la iniciativa personal. La utilizacin de energas alternativas no debe observarse como un proyecto a largo plazo. Debe provenir de las acciones de los ciudadanos, construyendo alternativas para satisfacer sus necesidades como lo puede ser la generacin de energa elctrica sin generar impacto negativo en el ambiente.

Desde esta perspectiva, el proyecto de transformando la energa decidi generar un prototipo capaz de producir energa elctrica sin que exista un proceso de combustin, este proceso presupone un impacto medioambiental positivo debido a que es un procedimiento exento de problemas de contaminacin debido a que disminuye en gran medida los impactos originados por los combustibles durante su extraccin, transformacin, transporte y combustin, lo que beneficia la atmsfera, el suelo y el agua, la fauna y la vegetacin.

O b j e t i v o s d e l p r o y e c t o

Objetivo general:1. Elaborar un aerogenerador de baja potencia que suministre a los hogares de Jaltepec Axapusco de energa elctrica bajo el enfoque de sustentabilidad.Objetivos particulares: Analizar la factibilidad y competitividad de la produccin de la energa elctrica a travs de la energa elica en nuestra comunidad. Producir energa elctrica para ser aprovechada por la poblacin de Jaltepec Axapusco, como una opcin viable para ser aprovechada cuando el suministro de energa sea interrumpido. Promover dentro de la comunidad de Jaltepec, Axapusco el uso de las energas alternativas.

H i p t e s i s

Dentro de la comunidad de Jaltepec Axapusco, con una velocidad de viento constante de 4m/s es posible aprovechar la energa elica, a travs de la produccin de un aerogenerador como un medio alternativo de abastecimiento de energa elctrica.

D e s c r i p c i n d e l a m e t o d o l o g aLa energa elica es aquella que se obtiene de la fuerza del viento. . El trmino elico viene del latn Aeolicus, perteneciente o relativo a Eolo, dios de los vientos en la mitologa griega. La energa elica ha sido aprovechada desde la antigedad para mover los barcos impulsados por velas o hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus aspas. La ventaja de la energa elica es que genera electricidad sin producir los contaminantes asociados a los combustibles fsiles y a la energa nuclear, entre ellos, el ms significativo es el dixido de carbono y el gas de efecto invernadero. De forma simplificada consiste en generar el movimiento de una hlice (a travs del viento) que produzca la excitacin de un generador elctrico. De esta forma, la energa producida ser directamente proporcional al movimiento realizado por las hlices y por tanto a la cantidad de viento que pueda mover las hlices.Nuestro inters actual es la produccin de electricidad a partir del viento con el fin de sustituir la contaminacin generada por los combustibles fsiles. 1. Para llevar a cabo nuestro prototipo fue necesario iniciar con una investigacin de las condiciones del viento en la comunidad (velocidad y direccin), con la finalidad de establecer la viabilidad de establecer un aerogenerador como fuente alterna de electricidad.Mediciones anemomtricas de la comunidad de Jaltepec Axapusco.

Grfico 1. Representacin de la velocidad del viento en m/s dentro de la comunidad de Jaltepec Axapusco. Para obtener dichos datos se realizaron mediciones los primero 10 das de cada mes con ayuda de un anemmetro. La hora promedio a la cual se realizaron las mediciones fue las 17:00 hrs.En promedio la velocidad del viento dentro de la comunidad es de 3.91 m/s o 14.076 km/h, por tanto el prototipo del generador deber ser diseado para una zona de viento con baja intensidad que flucta a lo largo del da y que se establecer como una forma alternativa de suministro de energa.

2. Una vez determinado la velocidad del viento para la construccin del aerogenerador, fue necesario reconocer las necesidades de la poblacin con respecto al consumo de energa elctrica que nos proporcion las bases documentales y tcnicas para la creacin de un diseo eficaz que cumpliera con los objetivos del prototipo. Datos generales

Velocidad del viento en promedio3.91 m/s

Nmero de viviendas que cuentan con servicio de electricidad1085 hogares.

Energa consumida en un hogar en promedio317 KW/h

Escaseo de electricidad en promedio de un ao50%

Costo de la electricidad$.735 KW/h

Produccin de CO2 *KW consumidos.152 Kg/kw/h

Tabla 1. Datos obtenidos por equipo a travs de encuestas y clculos realizados a travs de la observacin de los recibos de pago de energa elctrica.Al realizar la encuesta a la poblacin acerca de las necesidades o requerimientos de electricidad en caso de la interrupcin del suministro de energa elctrica. Los resultados fueron los siguientes.Aparato a utilizarPotencia NominalNmeroDemanda de energaEnerga Total requerida

Alumbrado con focos60w665%360w

Aparatos elctricos150w535%750w

Tabla 2. Necesidades a cubrir con el aerogenerador cuando la energa elctrica sea interrumpida en la comunidad de Jaltepec Axapusco, Mxico.

Reconociendo las necesidades de cada hogar y la potencia del viento dentro de la comunidad, se establecieron los lineamientos para disear y construir el tipo de aerogenerador para cumplir con los objetivos del proyecto. El diseo del prototipo tuvo como base la comparacin en cuanto a funcionalidad de aerogeneradores con eje vertical y con eje horizontal.

Tipos de Aerogeneradores

Eje HorizontalEje Vertical

VentajasDesventajasVentajasDesventajas

Son ms eficientes en su desempeo.

Se obtiene mayor energa cintica de ellos.

Es necesario realizar una alineacin en cuanto a la direccin del viento.En general operan con muy baja velocidad.

No es necesario colocarlos en una torre demasiado alta.Tienen poca eficiencia (no tienen suficiente par de arranque).

Tienen pocas revoluciones.

Tabla 3. Cuadro comparativo de las ventajas y desventajas de la clasificacin (con base a su eje) de los aerogeneradores.3. En primera instancia optamos por construir un aerogenerador de eje vertical estilo Savonius[footnoteRef:4] con el objetivo de obtener energa cintica del viento sin alinear el aerogenerador con la direccin del viento. Sin embargo, a lo largo al realizar las primeras pruebas pudimos observar que su eficiencia era poca y que con el diseo no se obtena la suficiente energa mecnica para romper el campo magntico del generador. [4: La turbina Savonius fue inventada por el ingeniero finlands S. J. Savonius en 1922.]

Imagen 1. Fotografa del primer prototipo generado por el equipo.Modelo Savonius con eje vertical.4. De esta forma, se reformul el diseo por un aerogenerador de eje horizontal. Tiene una estructura fsica similar a la de un aerogenerador comercial, sin embargo todos los materiales que fueron utilizados se encontraban a nuestro alcance como el fierro, es decir, son materiales de reso.Los materiales utilizados para el aerogenerador son: Flecha con chumaceras (mandril) 1 Generador (Tacmetro) 6 mts. de perfil cuadrado 1 Plstico de cubetas 1 Placa de metal 11x17 1 Ampermetro 2 Engranes 7 (con 44 dientes) 2 Engranes 3 (con 18 dientes) 2 Cadenas de bicicleta 4 Baleros 1 Esparrago 1 Batera de 12 V Tuercas y tornillos para el armado Transformador 12V- 110V Diodos Anemmetro CarcasaEl diseo generado por el equipo est conformado por tres elementos bsicos: a) Un rotor de 3 palas triangulares, que pueden girarse hasta obtener el ngulo de captacin del viento idneo. Las hlices tienen como material base el perfil cuadrado y plstico de cubeta por ser materiales bastante resistentes y econmicos, las cubetas fueron cortadas a la largo y se les dio la forma de triangulo, fueron sujetadas por una estructura de solera en forma de T lo cual le dio el moldeado idneo para su movilidad. b) Un pequeo sistema de transmisin a base de un sistema de engranaje y cadena (partes de una bicicleta) que potencializa la energa cintica captada por el rotor. Acopladas a los ejes que van conectados a las hlices y al rotor del generador.c) El generador (tacmetro) con imanes permanentes que al girar el eje produce corriente directa (CD), que carga una batera de 12 V. este remplazo un alternador de automvil, previamente modificado (cambio de embobinado: aumento de cobre en el rotor e imanes mas potentes) que por el peso de las hlices y la flecha (industrial) no lograban las revoluciones necesarias para su uso.

Despus de la obtencin del viento en promedio, el diseo y la investigacin realizada comenzamos con la construccin del aerogenerador. Como primer paso compramos y adecuamos las cubetas para hacer las hlices estas fueron montadas en un eje industrial, que tuvimos que adecuar en una estructura de solera (cortamos la solera y soldamos) despus acoplamos el sistema de engranajes, el de 44 dientes fue acoplado al eje, este esta conectado con un engrane de 18, que a su vez va conectado a otro engrane de 44 dientes estos estn montados en un eje paralelo al eje principal al final se encuentra otro engrane de 18 dientes este conectado al rotor del generador (para lograr el objetivo de potencializar las revoluciones) el resultado de este sistema es: cuando las hlices dan 1 vuelta el primer engrane da de vuelta, en consecuencia los dos siguientes engranes dan 2 vuelta y el ultimo engrane da 5 vueltas. Al final por una vuelta del eje principal el rotor del generador estar dando 5 vueltas. De este engrane se acoplo el generador de l salen dos terminales que van conectadas a un galvanmetro para saber el voltaje producido del generador estas a su vez estn conectadas a un interruptor en el caso de que la batera este totalmente cargada (la persona puede decidir si apaga su aerogenerador). En estas terminales se encuentra dos diodos (pequeas resistencias) estas para que la energa almacenada no regrese al aerogenerador. Te la batera tambin salen las fuentes que van conectadas al transformador (incrementa el voltaje y cambia la corriente) y finalmente del transformador bajan las terminales a la caja de fusibles.

Imagen 2. Fotografa del aerogenerador producido por el equipo transformando la energa.

Imagen 3. Fotografa del aerogenerador. Vista frontal.

La potencia del viento que ingresa por el rotor hace que cada una de las palas gire, de manera que la energa cintica se convierta en energa mecnica. A esta energa necesaria para mover cada una de las palas se le denomina par de arranque. Cabe destacar, que la cantidad mxima de energa que el viento puede transferir al rotor, depende de la velocidad del viento en la zona, la circunferencia conformada por el rotor y la densidad del aire.

5. Una vez concluida la construccin de dicho prototipo comenzamos a realizar las pruebas experimentales, los cuales nos dieron como resultado.

Especificaciones tcnicas del aerogeneradorProyecto transformando la energa

Dimetro del rotor180 cm

Peso23 Kg

Velocidad de arranque5.08 m/s[footnoteRef:5] [5: Este resultado se obtuvo con la formula de longitud de la circunferencia y la velocidad tangencial Vt = R*Lc]

Potencia Nominal12-16 v CD

CuerpoMetal

Nmero de palas3

Anchura de palas23.5 cm

ngulo de inclinacin20

Flecha de palas6 cm

KW/h por mes86

Velocidad de supervivenciaNo determinado

Tabla 4. Descripcin detallada del aerogenerador producido.

C o n c l u s i o n e sEs fundamental destacar que dentro de cualquier proyecto cientfico-tecnolgico es que todos somos cmplices o causantes de la contaminacin y es necesario retomar energas renovables que daen lo menos posible el entorno. Los acuerdos internacionales forma parte de las estrategias para disminuir la contaminacin, sin embargo, el cambio verdadero slo se lograr a travs de las pequeas acciones que cada uno de los habitantes establece es sus hogares, escuelas y poblaciones.La ciencia y la tecnologa fueron creadas para satisfacer las necesidades de la poblacin, para crear herramientas que facilitaran el proceso en la satisfaccin de sus necesidades, por tanto, la poblacin misma es la que puede y debe comenzaran a generar innovaciones que le permitan satisfacer sus necesidades (cmo lo es la dotacin de energa elctrica) en correlacin con el desarrollo sustentable.Con base a la experimentacin hecha, llegamos a cumplir el objetivo que era el elaborar un prototipo que capaz de producir energa elctrica a travs de la energa elica, contribuyendo a la disminucin de la contaminacin ambiental y suministrando la energa elctrica de forma alterna (principalmente cuando el suministro de energa elctrica sea interrumpido) a los hogares de la comunidad de Jaltepec, Axapusco.

Tabla de resultados del proceso de experimentacinVelocidad de vientoRPMHoras de carga (batera)Horas de uso

2m/s392.77 rpm60 min4-5 hr

3.91 m/s824.74 rpm30 min4-5 hr

5 m/s1348.67 rpm20 min4-5 hr

7 m/s2643.39 rpm15 min4-5 hr

Tabla 5. Resultados obtenidos dentro del laboratorio del prototipo generado por el equipo Transformando la energa.

De esta forma, nuestros objetivos principales de la investigacin fueron cumplidos en dos elementos base:

a) El Impacto ecolgico. El desarrollo del prototipo y su implementacin nos permiti en primera instancia establecer estrategias para la comunidad de Jaltepec Axapusco que nos permitieran destacar el hecho de que la produccin de electricidad a partir del viento es considerado un proceso limpio, es decir, que puede contribuir a la disminucin de la contaminacin. La produccin de la energa elica no provoca emisin de grandes contaminantes atmosfricos, ni residuos slidos, a diferencia de otras fuentes convencionales.

Cuando se desea cuantificar la contaminacin que no se produjo gracias a la utilizacin de energa elica, surgen pequeos inconvenientes, debido principalmente a que no se establece un reporte vlido en cuanto al proceso de produccin empleado para la generacin, trasporte y suministro de energa elctrica en comparacin con las fuentes de energa denominadas alternativas. A momento de cuantificar la contaminacin evitada por la sustitucin de fuentes de energas no renovables por energa de origen elico aparecen varias dificultades: por una parte, resulta difcil valorar las emisiones asociadas a todo el proceso de produccin de la energa ya que debe incluir tanto los procesos de extraccin del combustible, la construccin de las instalaciones de produccin, la operacin y mantenimiento de forma confiable. Sin embargo, con base a los datos obtenidos por la sener, la generacin de energa elctrica provoca que se emitan:

ContaminantesCantidad Kg/KW/h

NO.199

So2.235

Cenizas y escorias.701

Co2.152

Tabla 6. Expresin de los contaminantes generados de la produccin de energa elctrica en Mxico.

A partir de estos datos, el ahorro anual de contaminantes emitidos a la atmsfera, generacin de residuos, debido a la construccin y utilizacin del aerogenerador de baja potencia en la comunidad de Jaltepec Axapusco la energa anual generada, teniendo en cuenta que se generan 3804 kWh al ao por un hogar, ser:

ContaminantesCantidad Kg/MW/h

NO52.29 kg/ao

SO261.75kg/ao

Cenizas y escorias184.22kg/ao

CO239.94 kg/ao

Tabla 7. Ahorro de emisiones anuales con la utilizacin del aerogenerador del equipo Transformando la energa.

Cabe destacar que el aerogenerador es considerado de baja potencia y para ser utilizado de forma alterna, debido a que aporta 262.8 KW/h, Desde esta perspectiva, puede parecer que la emisin de contaminantes por ao parezca insuficiente, sin embargo, con la suma de los esfuerzos de los ciudadanos el cambio se establecer de forma potencial. Cada esfuerzo por construir formas alternativas de produccin de energa establecer la pauta para un cambio sustancial.

b) El impacto econmico. Al utilizar formas alternas de la produccin de energa elctrica, el principal inconveniente es el elevado costo para la produccin de tecnologa especializada en este mbito, sin embargo el equipo de transformando la energa utilizo en su mayora (90%) materiales de reso, por lo tanto los costos de produccin se redujeron drsticamente. Dando la oportunidad que familias con escasos recursos puedan accesar a la energa elica para la produccin de energa elctrica.

De igual forma la utilizacin del prototipo otorga a los hogares electricidad de forma alterna por lo que implica a largo plazo una reduccin en el pago total de su recibo de pago de luz elctrica. A continuacin mostramos una tabla que muestra el ahorro a generar dentro de los hogares que utilicen este aerogenerador.

KW/h aerogenerador al bimestreCosto de luz elctricaCosto de la produccin del aerogeneradorPromedio de kW/h en hogarCosto de la electricidad suministrada por CFE Ahorro total

172.8 $.735$ 127317$233$106

Tabla 8. Tabla que muestra el ahorro generador a partir de la utilizacin del aerogenerador.

Como puede observarse el ahorro puede considerarse sustancial debido a que se ahorra un 45% del pago total de energa esto sin tomar en cuenta que la inversin es mnima y que se apoya al enfoque de sustentabilidad.

Queda abierta la posibilidad de generar nuevos prototipos con mayor dimensin en las hlices o la utilizacin de varios prototipos que unidos pudieran generar una mayor cantidad de energa elctrica.

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