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Subsecretaría de Educación SuperiorDirección General de Educación Superior Tecnológica

Instituto Tecnológico de Lázaro Cárdenas

TRABAJO DE TITULACIÓN OPCIÓN TITULACIÓN INTEGRADA

LOS AEROGENERADORES Y LA FACTIBILIDAD PARA LA IMPLEMENTACIÓN EN NUESTRO

HOGAR.

PARA OBTENER EL TÍTULO DE:INGENIERO ELECTROMECANICO

PRESENTA:JOSÉ LUIS CAMACHO SOLANO

NÚMERO DE CONTROL: 08560210

ASESOR:M.C. FRANCISCO MILLÁN VILLANUEVA

Cd. y Puerto de Lázaro Cárdenas, Mich., Agosto de 2013.

DEDICATORIAS:

A dios:

De quien proviene todo la sabiduría que pueda existir y el origen de la

fortaleza para lograr todas las metas ante cualquier adversidad.

A mis padres:

C. Leobardo Camacho Valdovinos en paz descanse, C. Ma. Candelaria

Solano Becerra, que siempre fueron un ejemplo a seguir y a los

valores que me inculcaron para ser una persona íntegra ante

cualquier situación.

A mis hermanos:

De quien tanto cariño les profeso por el apoyo sin condiciones que

siempre he tenido de ellos.

AGRADECIMIENTOS:

Volviendo la mirada al pasado y deteniéndome en las etapas más

importantes de mi vida, se me hace difícil imaginar que sería de mi,

sin el proyecto incondicional e indiscutible de mi madre de de mi

padre. Gracias e ellos he llegado hasta este punto y mi deseo más

grande es que se sientan satisfechos con mi educación y en la

persona que me he convertido.

Agradezco de manera especial a mi asesor de investigación M.C.

Millán Villanueva Francisco, su atenta colaboración y el apoyo en cada

una de las revisiones de este trabajo.

Agradezco a mis revisores, Ing. Sosa Pedraza José Luis, M.C. Raya

Villalpando Rafael, y M.C. Marín contreras Roberto por sus

observaciones en mi trabajo final de investigación.

A gradezco a mis compañeros de estudio y amigos. Especialmente

aquellas personas que me dieron su apoyo incondicional en los

momentos más difíciles del desarrollo de este proyecto de

investigación.

A gradezco a todas aquellas que de una u otra forma colaboraron

conmigo en la realización de este trabajo de titulación.

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción.

La generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables como el viento es una

de las tarea que se ha está desarrollando para el aprovechamiento de las futuras

generaciones. El siguiente trabajo, mediante la siguiente investigación documental se

habla del aprovechamiento del viento. Este proyecto de investigación, trata del

aprovechamiento de la energía eólica. Puesto que el campo de la energía eólica es

sumamente amplio y debe tener en cuenta consideraciones de diseño y beneficios de

la energía eólica.

Es una propuesta de solución a este problema muy grande en la actualidad no tener

electricidad en el hogar. Lo que buscamos con nuestro proyecto es una solución a este

problema utilizando un recurso renovable como lo es la energía eólica.

Estas maquinas son utilizadas en muchas regiones del mundo para producir energía

eléctrica. Como resultado de esta investigación no se analiza si no se elabora un

proyecto especifico realizable de energía en nuestro hogar. En el estudio se especifican

los impactos ambientales, el recurso natural del área, y algunos aspectos financieros. En

el análisis se trata de crear bases necesarias para establecer la factibilidad de esta

industria para utilizarse en nuestro hogar.

El origen del presente proyecto radica en la falta de energía eléctrica en poblaciones

rurales. Debido a la falta de red eléctrica que abastezca a estas poblaciones.

Los pequeños aerogeneradores son una opción para producir energía eléctrica en estas

zonas, Por todas las razones expuestas arriba, un sistema eólico de baja potencia

representa una opción a considerar ante un proyecto de electrificación, donde no hay

red.

En la metodología se estableció los pasos a considerar para la elaboración del

aerogenerador de imanes permanente de 100 Watts nominales, el cual de acuerdo a

otros proyectos elaborados es totalmente rentable, factible y fácil de elaborar.

1.2 ÍNDICE.

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN....................................................................................................2

1.1 Introducción..............................................................................................................................4

1.2 ÍNDICE....................................................................................................................................5

1.3 ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................................9

1.4 ÍNDICE DE TABLAS............................................................................................................13

1.5 ÍNDICE DE GRAFICAS.......................................................................................................13

CAPÍTULO II: TEMA DE INVESTIGACIÓN.............................................................................14

2.1 Antecedentes del proyecto.....................................................................................................14

2.2 Planteamiento del problema..................................................................................................14

2.2.1 Árbol del problema......................................................................................................14

2.3 Delimitación...........................................................................................................................15

2.4 Justificación............................................................................................................................15

CAPÍTULO III: MARCO HISTÓRICO.........................................................................................16

3.1 Antecedentes históricos, evolución de la energía eólica hasta la actualidad..........................16

3.2 Pioneros de los aerogeneradores............................................................................................24

3.2.1 Pioneros de la energía eólica, 1940-1950....................................................................30

CAPÍTULO IV: MARCO DE REFERENCIA...............................................................................35

4.1 La alternativa de la eólica de baja potencia............................................................................35

4.1.1 Aerogeneradores pequeños para el desarrollo rural....................................................35

4.1.2 Construcción de aerogenerador de imanes permanentes............................................35

4.2 Ejemplos de uso del aerogenerador de baja potencia.............................................................35

4.2.1 Otros ejemplos reales..................................................................................................38

CAPÍTULO V: MARCO CONCEPTUAL.....................................................................................40

5.1 El viento.................................................................................................................................40

5.1.1 Tipos de viento............................................................................................................42

5.1.2 Velocidad del viento....................................................................................................44

5.1.3 Aparatos de medición del viento.................................................................................45

5.1.4 Energía útil del viento.................................................................................................46

5.2 Aerogenerador.......................................................................................................................47

5.2.1 Componentes principales de un aerogenerador...........................................................48

5.2.2 Rotor............................................................................................................................48

5.2.3. Góndola......................................................................................................................50

5.2.4 Generador....................................................................................................................51

5.2.5 Torre............................................................................................................................53

5.2.6 El anemómetro y la veleta...........................................................................................54

5.3 Otros componentes de un sistema de energía eólica..............................................................54

5.3.1 Sistemas de almacenamiento.......................................................................................54

5.3.2 Inversores....................................................................................................................56

5.3.3 Rectificadores y cargadores de baterías......................................................................57

5.3.4 Funcionamiento en conjunto......................................................................................58

5.4 Etapas.....................................................................................................................................58

5.5 Aplicaciones de los aerogeneradores de baja potencia..........................................................59

5.5.1 Instalaciones aisladas a la red eléctrica.......................................................................59

5.5.2 Instalaciones conectadas a la red eléctrica..................................................................61

5.5.3 Energía eólica en el entorno urbano............................................................................62

CAPÍTULO VI: TIPO DE INVESTIGACIÓN:.............................................................................63

6.1 Tipo de investigación.............................................................................................................63

6.1.1 Investigación básica:...................................................................................................63

6.1.2 Investigación de campo:..............................................................................................63

CAPÍTULO VII: HIPÓTESIS Y VARIABLES.............................................................................64

7.1 Hipótesis:...............................................................................................................................64

7.2 Variables que integran la hipótesis:.......................................................................................64

7.2.1 Variable independiente:...............................................................................................64

7.2.2 Variables dependientes:...............................................................................................64

CAPÍTULO VIII: OBJETIVOS.....................................................................................................65

8.1 Objetivo general....................................................................................................................65

8.2 Objetivos específicos.............................................................................................................65

CAPÍTULO IX: METODOLOGÍA A UTILIZAR.........................................................................66

9.1 Proceso de metodología para el diseño..................................................................................66

9.1.1 Localización de Las Peñas..........................................................................................66

9.1.2 Estudio de potencial eólico..........................................................................................69

9.1.3 Descripción del aerogenerador:...................................................................................69

9.2 Estator.....................................................................................................................................71

9.2.1 Las bobinas..................................................................................................................72

9.3 Rotores magnéticos................................................................................................................72

9.3.1 Los imanes...................................................................................................................73

9.3.2 El disco de acero..........................................................................................................73

9.3.3 El alambre de acero inoxidable...................................................................................74

9.4 El buje.....................................................................................................................................74

9.5 El eje.......................................................................................................................................75

9.6 El rotor eólico.........................................................................................................................75

9.7 Las palas................................................................................................................................77

9.7.1 Dimensiones características del perfil de la pala.........................................................77

9.7.2 El extremo raíz............................................................................................................78

9.7.3 Resistencia de las palas...............................................................................................80

9.8 Los discos del rotor................................................................................................................80

9.9 La montura del aerogenerador................................................................................................81

9.9.1 La Montura del buje....................................................................................................82

9.9.2 Soportes del estator.....................................................................................................84

9.9.3 Tubo de viraje..............................................................................................................84

9.9.4 Parte interna de la bisagra de la cola...........................................................................84

9.10 Cola del aerogenerador.........................................................................................................85

9.10.1 La Cola......................................................................................................................85

9.10.2 Veleta.........................................................................................................................86

9.11 La estructura (Torre)............................................................................................................86

9.12 Sistema de control................................................................................................................88

9.13 Ensamblaje del conjunto mecánico......................................................................................89

9.14 El montaje eléctrico.............................................................................................................92

9.14.1 Elementos eléctricos..................................................................................................93

9.14.2 Otras posibles conexiones.........................................................................................93

9.14.3 El inversor.................................................................................................................94

9.14.4 Conexión a las baterías..............................................................................................94

9.15 Instalación del aerogenerador...............................................................................................97

9.15.1 Determinación de la carga.........................................................................................99

9.16 Energía generada por el aerogenerador..............................................................................100

9.16.1 Estimación de la potencia eléctrica media anual.....................................................102

9.16.2 Cálculo de la energía anual generada......................................................................103

9.17 Mantenimiento...................................................................................................................106

9.18 Análisis de factibilidad para la implementación en el hogar.............................................107

9.18.1 Beneficios obtenidos del aerogenerador..................................................................109

9.18.2 Interacciones con el medio físico............................................................................109

9.18.3 Interacciones con el medio biótico..........................................................................110

9.18.4 Vegetación...............................................................................................................110

9.18.5 Interacciones con el medio humano........................................................................110

9.18.6 Impacto socioeconómico regional...........................................................................111

9.19 Presupuesto.........................................................................................................................112

9.20 Presupuesto de Aerogenerador en mercado extranjero......................................................119

CAPITULO X: CONCLUSIONES..............................................................................................123

10.1 Conclusiones......................................................................................................................123

CAPITULO XI: RECOMENDACIONES....................................................................................124

11.1. Recomendaciones..............................................................................................................124

BIBLIOGRAFIA:.........................................................................................................................125

ANEXOS......................................................................................................................................126

1.3 ÍNDICE DE FIGURAS.

Figura 3.1-1. Ilustración del dios Eolo.........................................................................................16

Figura 3.1-2. Representación de una navegación fenicia.............................................................17

Figura 3.1-3. Aneuriom, máquina eólica atribuida a Herón de Alejandría (Siglo II A.C.)..........18

Figura 3.1-4. Máquinas eólicas conocidas como "ruedas de oraciones"......................................19

Figura 3.1-5. Panémonas china de eje vertical utilizada para el riego.........................................20

Figura 3.1-6. Molino de eje vertical utilizado en la antigua Persia para moler grano.................20

Figura 3.1-7. Molinos para bombear y sacar agua de los pozos..................................................21

Figura 3.1-8. Molino de viento en Holanda.................................................................................22

Figura 3.1-9. Don quijote de la mancha frente a los molinos......................................................23

Figura 3.1-10. Molino de viento manchego.................................................................................23

Figura 3.1-11. Molino de viento en Cádiz....................................................................................23

Figura 3.1.12. Molino de viento mediterráneo.............................................................................23

Figura 3.2-13. Poul la Cour y a su esposa Christine en Askov (1846-1908)...............................24

Figura 3.2-14. La fotografía muestra la promoción de 1904........................................................24

Figura 3.2-15. La revista de electricidad eólica...........................................................................25

Figura 3.2-16. Charles F. Brush (1849-1929)..............................................................................25

Figura 3.2-17. El artículo “Scientific American” sobre la maquina eólica de Brush...................26

Figura 3.2-18. Molino de viento multipala americano.................................................................26

Figura 3.2-19. Los aerogeneradores de la Cour...........................................................................27

Figura 3.2-20. Aerogenerador de Brush.......................................................................................27

Figura 3.2-21. Articulo de las Maquinas eólicas de Honnef........................................................28

Figura 3.2-22. Aerogenerador de Jacobs de 1 kw........................................................................30

Figura 3.2-23. Darrieux de eje vertical.........................................................................................30

Figura 3.2.1-24. Las Maquinas de Smidth...................................................................................30

Figura 3.2.1-25. Máquina Tripala de F.L. Smidth......................................................................31

Figura 3.2.1-26. Aerogenerador Smith-Putnam...........................................................................31

Figura 3.2.1-27. El aerogenerador de Gedser...............................................................................32

Figura 3.2.1-28. Generador Gedser en funcionamiento...............................................................32

Figura. 4.2-29. Utilización de un aerogenerador de baja potencia en una casa rural en Zimbabwe

(Hugo Piggott) en Perú.................................................................................................................36

Figura. 4.2-30. Fluorescente potenciado por viento utilizado como luz exterior en Sri Lanka,

(Simón Dunnett) en Reino Unido.................................................................................................36

Figura. 4.2.1-31. Aerogenerador Instalado en el Carrizal Paxtlán, Oaxaca México....................39

Figura 5.1-32. Irradiación solar....................................................................................................40

Figura 5.1-33.Circulación general en la superficie......................................................................41

Figura. 5.1.1-34 Vientos de Levante............................................................................................43

Figura. 5.1.1-35 Vientos de Poniente...........................................................................................43

Figura 5.1.1-36.Esquema general de un viento particular tierra-mar y viceversa (brisas)...........43

Figura 5.1.1-37. Brisas de mar, vientos particulares y locales.....................................................44

Figura 5.1.2-38 Rosa de los vientos.............................................................................................44

Figura 5.1.2-39. Rosas de viento características para un flujo dominante dentro de un valle, en

una planicie sur y por encima de las elevaciones extremas de un valle.......................................44

Figura 5.1.3-40. Diversos tipos de anemómetros.........................................................................45

Figura 5.1.4-41. Área A barrida por el rotor de diámetro D........................................................46

Figura. 5.2-42. Variación del coeficiente de potencia Cp. distintos tipos de aerogeneradores....47

Figura 5.2.1-43. Componentes de un aerogenerador de eje horizontal........................................48

Figura 5.2.2-44. Disposicion del rotor de acuerdo a la relacion del viento..................................49

Figura 5.2.2-45. Rotor Tripala de un aerogenerador....................................................................50

Figura 5.2.3-46. Representación de la góndola de un aerogenerador..........................................50

Figura 5.2.4-47. Representación de la jaula de ardilla.................................................................51

Figura 5.2.4-48. Funcionamiento de un generador de corriente alterna.......................................52

Figura 5.2.5-49. Tipos de torre a) Tubular. b) Celosía. c) Tensada d) Hibrida............................54

Figura 5.2.6-50. Anemómetro y veleta.........................................................................................54

Figura 5.3.1-51 Baterías y/o acumulador de almacenamiento de energía. (12 volts)..................56

Figura 5.3.2-52. Inversor electrónico de CC/AC.........................................................................57

Figura 5.3.4-53. Funcionamiento general del aerogenerador.......................................................58

Figura 5.5.2-54. Instalación conectada a la red eléctrica.............................................................61

Figura 9.1.1-55. Localización del lugar de estudio......................................................................68

Figura 9.1.1-56. Nivel del lugar respecto al sitio de estudio........................................................68

Figura. 9.1.3- 57a. El pequeño generador PMG de ITDG...........................................................70

Figura. 9.1.3- 58b. El pequeño generador PMG de ITDG...........................................................70

Figura. 9.2-59 Encasta-miento del estator con fibra de vidrio.....................................................72

Figura 9.2.1-60 bobina del aerogenerador....................................................................................72

Figura. 9.3-61 Imanes permanentes de Neodimio........................................................................73

Figura. 9.3.1-62. Los dos rotores son diferentes..........................................................................73

Figura 9.3.2-63 discos de acero....................................................................................................74

Figura. 9.4-64. Dimensiones características de un buje de la rueda............................................74

Figura. 9.5-65: Eje de un buje......................................................................................................75

Figura 9.6-66. Rotor eólico de 2.4 m de diámetro, con 3 palas...................................................76

Figura. 9.6-67. Perfiles de palas...................................................................................................76

Figura 9.7.1-68. Dimensiones de las palas del aerogenerador 100 Watts....................................77

Figura 9.7.2-69. Extremo raíz de una pala...................................................................................78

Figura 9.7.2-70. Parámetros característicos de la pala.................................................................79

Figura 9.7.2-71. Palas del aerogenerador terminadas..................................................................79

Figura. 9.8-72. Uno de los discos del rotor eólico.......................................................................81

Figura. 9.8-73. Posición de las palas sobre un disco del rotor eólico..........................................81

Figura. 9.9-74. Montura del aerogenerador..................................................................................82

Figura. 9.9.1-75. Montura del buje, como unión de dos ángulos.................................................82

Figura. 9.9.1-76. Forma final de la montura del buje...................................................................83

Figura 9.9.1-77. Unión con ángulo α de la montura del buje al tubo de viraje con la bisagra ya

incluida.........................................................................................................................................83

Figura. 9.9.4-78. Parte interna de la bisagra de la cola................................................................84

Figura 9.10.1-79. Unión de la botavara al tubo exterior de la bisagra.........................................85

Figura 9.10.2-80. Forma de la veleta y posición de los agujeros.................................................86

Figura 9.11-81. Torre con cables y tensores................................................................................87

Figura 9.11-82. Elevación de la torre...........................................................................................87

Figura 9.11-83 Soporte de la torre para nuestro aerogenerador...................................................88

Figura 9.13-84. Ensamble mecánico Rotor-Generador................................................................90

Figura 9.13-85. Aerogenerador de Imanes de Neodimio.............................................................91

Figura. 9.13-86. Instalación del aerogenerador en Las Peñas Michoacán...................................91

Figura. 9.13-87. Instalación de los componentes eléctricos del Aerogenerador..........................92

Figura 9.14.1-88. Regulador Monofásico de Voltaje...................................................................93

Figura 9.14.2-89 Interruptor de seguridad....................................................................................93

Figura 9.14.3-90 Inversor corriente (CD-AC)..............................................................................94

Figura 9.14.4-91. Conexiones del aerogenerador y la batería......................................................94

Figura 9.14.4-92. Batería ó Acumulador del Aerogenerador.......................................................95

Figura 9.15-93. Instalación completa del aerogenerador.............................................................97

Figura 9.15-94. Diseño que se desea implementar.......................................................................97

Figura 9.15-95. Montaje eléctrico del Aerogenerador.................................................................98

Figura 9.15.1-96. Esquema unifilar de la instalación...................................................................99

Figura 9.19-97. Aerogenerador y dispositivos eléctricos...........................................................116

Figura 9.19-98. Instalación completa del aerogenerador...........................................................116

Figura 9.19-99. Componentes del generador eólico...................................................................117

Figura 9.19-100. Base y bisagra para mantenimiento del aerogenerador..................................117

Figura. 9.19-101. Componentes eléctricos del aerogenerador...................................................118

Figura 9.19-102. Accesorios e instalación del aerogenerador....................................................118

Figura 9.20-103. Instalación de aerogenerador 400 Watts.........................................................119

Figura 9.20-104. Conexiones de los equipos.............................................................................119

Figura 9.19-105. Accesorios del aerogenerador de 400 Watts...................................................120

1.4 ÍNDICE DE TABLAS.

Tabla 1. Producción aproximada de energía mensual (kWh)......................................................36

Tabla 2. Ejemplo 1, demanda eléctrica en una casa Sri Lanka (Reino Unido)............................37

Tabla 3. Ejemplo 2, demanda eléctrica en una casa en Sri Lanka (Reino Unido).......................38

Tabla 4. Ejemplo 3, demanda eléctrica de una casa en Sri Lanka (Reino Unido).......................38

Tabla 5. Ejemplo 4, demanda eléctrica de una casa en Sri Lanka (Reino Unido).......................38

Tabla 6. Velocidades de generador síncrono................................................................................52

Tabla 7. Vientos dominantes en la estación meteorológica Melchor Ocampo............................69

Tabla 8. Características de las palas.............................................................................................76

Tabla 9. Consumos típicos...........................................................................................................99

Tabla 10. Columnas 1 y 2: frecuencia de la velocidad del viento..............................................102

Tabla 11. Tarifa de CFE.............................................................................................................107

Tabla 12. Comparación con CFE...............................................................................................108

Tabla 13. Costo del material necesario de los moldes y plantillas de las palas.........................112

Tabla 14. Costos de los materiales del aerogenerador...............................................................113

Tabla 15. Costo de la energía utilizada en los procesos de fabricación.....................................114

Tabla 16. Costo total de instalación del aerogenerador..............................................................114

Tabla 17. Costo total de instalación del aerogenerador..............................................................115

Tabla 18. Presupuesto final para la investigación y diseño (opción A).....................................115

Tabla 19. Presupuesto final para la investigación y diseño (opción B).....................................115

Tabla. 20. Especificaciones técnicas del aerogenerador de 400 Watts......................................121

Tabla 21. Diversos aerogeneradores y especificaciones............................................................122

1.5 ÍNDICE DE GRAFICAS.

Grafico 1. Relación de Energía anual generada por el aerogenerador.......................................104

Grafico 2. Porcentaje del aerogenerador a potencia nominal.....................................................105

Grafico 3. Porcentaje de tiempo fuera de servicio.....................................................................106

CAPÍTULO II: TEMA DE INVESTIGACIÓN

2.1 Antecedentes del proyecto.

El proyecto surgió al tener en mente un aerogenerador capaz de suministrar energía

eléctrica para el consumo básico, mismo que se implementaría en lugares donde no se

cuente con la red eléctrica. Es el caso de Las Peñas, Michoacán, que por diversas

condiciones se encuentra alejada de la red de suministro, que lo hacen interesante para

la implementación de un aerogenerador de baja potencia, el cual generaría energía

eléctrica para las necesidades diarias. Por medio de un Aerogenerador de 100 Watts

nominal que nos genere electricidad suficiente para una vivienda.

2.2 Planteamiento del problema.

Observando la falta de energía eléctrica que existe en algunas zonas “desconectadas” de

Las Peñas Michoacán, mismas en las que se propondría establecer un aerogenerador de

100 Watts nominales. Este proyecto se encaminaría tratar de solucionar la falta de

suministro de energía eléctrica, como una propuesta de producir energía eléctrica

limpia.

2.2.1 Árbol del problema.

Efectos

Mal estado de vida para las personas que cuentan con este problema.

No se cuenta con energía para nuestras actividades cotidianas por falta de red.

Problema

Causa

2.3 Delimitación.

En esta investigación documental se pretende dar los diferentes aspectos que se tienen

que tomar en cuenta para la factibilidad y la implementación de los aerogeneradores en

nuestro hogar (domésticos); por lo que en este trabajo se pretende implementar un

aerogenerador de baja potencia (100 W nominales) debido a que es un aerogenerador

pequeño de fácil producción, con capacidad de instalar 2 contactos y 3 lámparas, así

como un regulador de carga, un acumular de 12 V (ó en su caso 2 acumuladores), y un

inversor de 12V (CD) – 120 V (CA).

2.4 Justificación.

Lo pretendido es realizar esta investigación documental, para verificar la factibilidad

que tiene implementar un aerogenerador en nuestro hogar, en lugares alejados de la red

eléctrica donde no es posible tener energía eléctrica, es por eso que se decidió utilizar

esta energía por lo cual aprovechamos que Las Peñas Michoacán está al nivel del mar y

corre mucho aire.

El proyecto de investigación es importante para aprovechar una fuente inagotable como

es el viento, lo que implica una generación ecológica, económica e inagotable.

Los aerogeneradores producen electricidad aprovechando la energía natural del viento

para impulsar un generador. Transformando la energía cinética en energía eléctrica la

cual no produce emisiones de contaminantes.

Además, los aerogeneradores domésticos pueden ser la solución para abastecer las

viviendas y pequeños núcleos urbanos no conectados a la red eléctrica. El

funcionamiento de los aerogeneradores es relativamente sencillo y la inversión es

Falta de energía eléctrica en las zonas “desconectadas” de Las Peñas, Michoacán,

porque no se ha instalado la red de distribución en toda la zona.

Zonas con difícil acceso a la red de suministro eléctrica.

rentable comparado con el gasto que se realiza con las instalaciones eléctricas que

tenemos hoy.

CAPÍTULO III: MARCO HISTÓRICO

3.1 Antecedentes históricos, evolución de la energía eólica hasta la actualidad.

El término eólico procede del latín, “AEOLICUS” y significa relativo o perteneciente a

Eolo que, según la mitología griega, era el dios de los vientos. Según cuenta la leyenda,

Eolo mantenía encerrados los vientos en una cueva de una isla, dejándolos salir a su

voluntad. Más recientemente, Eolo había ido finalmente a descansar a las SISARGAS, y

eran sus despertares la causa del clima característico de la costa de la muerte, se puede

entender, por tanto, como energía eólica aquella contenida en el viento.

Figura 3.1-1. Ilustración del dios Eolo.

La energía eólica se ha venido aprovechando desde la antigüedad con distintas

finalidades, bien para moler grano, bombear agua, propulsar embarcaciones de vela etc.,

y en fechas más recientes para generar energía eléctrica. A lo largo de este capítulo se

exponen las distintas aplicaciones que ha tenido el aprovechamiento de este tipo de

energía de la historia.

También se exponen la evolución histórica de los aparatos utilizados para transformar la

energía del viento en energía aprovechable para los diversos usos. El funcionamiento

básico de estas maquinas consiste en que el viento impulsa unas aspas oblicuas que, con

su movimiento, activan unos equipos, los cuales son distintos según su aplicación que se

requiere dar a la instalación y han de ser capaces de transformar la energía contenida en

el viento en energía útil, disponible para ser utilizada.

Estos aparatos se han denominado de distintas maneras, siendo la más común de ellas la

de los molinos. Se llamaban así las maquinas utilizadas para la molienda de cereales,

especialmente de trigo. De ahí el origen de este término que, por extensión, se ha

utilizado para referirse a cualquier instalación que funcionase a partir de las fuerzas de

la naturaleza, fuera cual fuese su aplicación.

En el caso de las maquinas que transforman la energía del viento en energía eléctrica, el

termino técnico más acertado es el de aerogeneradores, aunque en ocasiones se utilizan

denominaciones tales como molinos, etc. Los aerogeneradores pueden ser instalados

individualmente o mediante agrupaciones.

Las únicas energías utilizadas habían sido las de origen humano, animal, y las

resultantes de aprovechar la energía del viento y del agua.

A lo largo de la historia se llevan a cabo una serie de letras transformaciones, con el

objeto de sustituir la energía humana y los sistemas de atracción animal por alguna

energía que nos ofrece la naturaleza, más eficiente productivamente y energéticamente.

El aprovechamiento de la Energía contenida en el viento proviene de muy antiguo, casi

tanto como la civilización. Las referencias al IV o V milenio A.C, en Egipto permiten

afirmar que la primera aplicación de la energía eólica fue para desplazarse mediante la

navegación, lo que propuso un importante avance para el comercio. Las embarcaciones

a vela no fueron utilizadas solo por los egipcios, sino también por los fenicios, los

romanos, etc.

Figura 3.1-2. Representación de una navegación fenicia.

Más se demoro el aprovechamiento de la energía eólica ya que aunque los molinos de

viento son muy antiguos, no lo son tanto como la navegación ni como los molinos

hidráulicos. No se conoce con precisión su origen, lo que puede deberse a que los

manuscritos de los que se podría extraer dicha información son muy antiguos, con lo

que muchos de ellos están incompletos, otros han sufrido traducciones y/o revisiones

incorrectas, existen contradicciones entre ellos, etc., lo que introduce la incertidumbre y

errores. A pesar de lo anterior, se ha podido establecer dos teorías sobre su origen de los

molinos de viento, las cuales se exponen a continuación:

1.- La primera de estas teorías relaciona el origen de los molinos de viento con el

mundo greco-romano, donde ya se conocían los fundamentos mecánicos y los principios

que rigen el movimiento de una rueda expuesta al aire. Aun así, parece que el desarrollo

de esta técnica no fue importante.

La existencia de los molinos de viento en el mundo griego a partir de su referencia en

un texto de carácter técnico atribuido a Herón de Alejandría (siglo II). Este texto hace

referencia a una maquina neumática conocida como “ANEURIOM” cuyo mecanismo

parecía ser el siguiente: el viento movía unas paletas a un eje horizontal, accionaban una

barra horizontal que iba conectada en su extremo a otra barra vertical la cual, a su vez,

accionaba un pistón, que enviaba aire a las flautas del órgano.

Figura 3.1-3. ANEURIOM, máquina eólica de usos musicales atribuida a Herón de Alejandría (Siglo II A.C.)

Aun así, existen dos motivos por los cuales parece que esta técnica no tuvo un gran

desarrollo en la cultura griega. El primero de ellos es que los griegos consideraban las

fuerzas de la naturaleza como de uso y dominio exclusivo de los dioses, los cuales no

aceptaban de buen grado la intromisión en sus dominios.

El segundo es que, al estar su economía basada en una agricultura de subsistencia y con

una estructura social donde la mano de obra esclava era abundante, no fue necesario el

desarrollo de maquinaria que favoreciese una mejora de los métodos de producción.

En cuanto al mundo romano, aunque se cree que, como grandes ingenieros que fueron,

conocían los fundamentos del funcionamiento de los molinos de viento, no se tiene

información precisa respecto a su uso. El hecho de que el general Belisario, durante el

asedio de roma, en el año 537 A.C., construyera molinos hidráulicos fluviales sobre

barcazas para bombear agua, parece confirmar el desconocimiento o poco desarrollo de

la tecnología eólica, ya que hubiese resultado mucho más sencillo y eficaz un sistema

basado en molinos de viento.

2.- La segunda teoría al origen de los molinos de viento mantiene que se inventaron en

oriente, fruto de las culturas árabe y china. Algunos historiadores reconocen su presente

más inmediato en los dominios “molinos de oración” o “ruedas de oraciones” tibetanos,

según algunos autores, estos están dotados entre los siglos VI y IX, mientras que otros

aseguran que su uso era anterior al siglo II A.C. Estas maquinas eólicos fueron

utilizadas en los ritos religiosos en la zona del Tíbet y Mongolia, aunque no se conoce

con precisión su función exacta en dichas ceremonias.

En el extremo oriente, los chinos utilizaron desde el tiempo inmemorial unos molinos

de viento llamados “Panémonas”, cuyas aplicaciones fundamentales eran el bombeo de

agua y el trigo. Estas maquinas consistían en un eje vertical, al redor del cual estaban

dispuestas unas velas formadas por paneles de 5 telas sujetos a largueros de madera o

bambú, las cuales podían modificar su orientación para regular la acción del viento

sobre el molino, algunos historiadores sostienen que las “Panémonas” existían con

anterioridad al año 400 de nuestra era. Esta es la razón por la que algunos las consideran

las precursoras de los molinos persas de eje vertical.

Figura 3.1-4. Máquinas eólicas conocidas como "ruedas de oraciones"

Fueron utilizadas con fines religiosos en el Tíbet y Mongolia varios siglos de nuestra era.Figura 3.1-5. Panémonas china de eje vertical utilizada para el riego.

En el siglo XIII, los molinos de viento persas estaban dispuestos por un rotor de seis u

ocho paletas de madera o cuña, solidarias a un eje central vertical que soplaba a las

muelas, cuya separación se podía variar mediante el uso de cuñas. Contaba con una

estructura o torre de mampostería, provista de una pared frontal que actuaba como

deflector al objeto de dirigir el viento sobre las paletas y se regulaba su intensidad con

un sistema de compuertas de madera que, operaba manualmente, permitían una mayor o

menor entrada de aire.

Figura 3.1-6. Molino de eje vertical utilizado en la antigua Persia para

moler grano.

Los molinos de eje horizontal también podrían tener su origen en la antigua Persia,

probablemente con anterioridad a la época islámica. Aunque resulta más sencillo

tecnológicamente aprovechar la energía del viento con maquinas de eje vertical, su

invención debió responder a la necesidad de adaptar las maquinas eólicas de eje vertical

al bombeo de agua. Esto es debido a que la disposición del rotor, en los sistemas de eje

horizontal, es más adecuada para mover una noria sin tener que variar la dirección de la

fuerza motora mediante un engranaje, que sin duda suponía una complicación técnica

para la época.

Las primeras referencias de los molinos de viento en Europa datan del siglo XII, y

emplazan su existencia en Francia e Inglaterra. A continuación se exponen las dos

teorías existentes sobre el origen de los molinos de viento en Europa:

1.- La primera de estas teorías relaciona su origen con las cruzadas, pudiendo ser la

coincidencia cronológica el principal argumento en el que se apoya. Se cree que los

cruzados vieron los molinos de viento en oriente y los trajeron a Europa. Según el

testimonio del trovador normando Ambrosio, historiador de la tercera cruzada, “los

cruzados habían hecho construir el primer molino europeos eran de eje horizontal, los

orientales solían ser de eje vertical”.

2.- La segunda teoría sobre el origen de estas instalaciones en Europa expone que los

molinos de viento de eje horizontal fueron inventados en torno al siglo XII en Europa

Occidental, surgiendo de una manera espontanea. Esta idea podría estar fundada en que

mientras los molinos europeos eran de eje horizontal, los orientales solían ser de eje

vertical. Y esto afirma pese al descubrimiento de la rueda de viento con eje horizontal

del “Aneuriom” de Herón de Alejandría, así como a la utilización de transmisión

indirecta, a través de engranes, conocida y aplicada por Vitrubio en sus molinos

hidráulicos. No obstante, no hay indicios para creer que dichos conocimientos fuesen

aplicados a la molinería mediante el diseño y construcción de un molino de eje

horizontal.

Figura 3.1-7. Molinos para bombear y sacar agua de los pozos.

La difusión de los molinos de viento siguió dos canales aparentemente independientes a

partir del siglo XII. El primero de ellos se extendió a toda las zona de influencia del

Mediterráneo, difundido por la civilización islámica, llegando hasta la mitad sur de la

Península Ibérica, el segundo de ellos tomo con centro de partida el triangulo formado

por Bretaña, Inglaterra y los países bajos. Los molinos de viento adquirieron su mayor

importancia en el Medievo, alrededor del año 1260, en Canterbury, para la molienda del

grano.

En el renacimiento,

se incorporaron

importantes aportaciones

técnicas y sistemas de

regulación que aun sin

conocer los principios teóricos de funcionamiento de los molinos, lograron eficaces

dispositivos para la obtención de energía.

Entre los siglos XV y XVI, hay que destacar el papel de Holanda en el uso y

perfeccionamiento de los molinos de viento para el drenaje, la molienda de grano, la

extracción de aceite de semillas, etc.

En la península Ibérica, la utilización de los molinos de viento entre los siglos XVI y

XIX fue constante, destacando los molinos manchegos ubicados en el campo de

Criptana, los andaluces de Huelva y Cádiz, los de Cartagena, los Baleares, etc.

En el siglo XVIII, la energía eólica adquirió una gran importancia, de hecho, los

holandeses tenían ya en funcionamiento unos 20,000 molinos. Un invento a destacar en

este siglo fue la “cola de molino”, del Inglés E. Lee en 1745. Este artefacto permitía la

orientación del molino perpendicularmente aserraderos al viento, lo que lograba que la

energía captada fuera máxima. Hacia finales del siglo XVIII, las aplicaciones de la

energía eólica se extendieron a la industria del papel y a los aserraderos.

Figura 3.1-8. Molino de viento en Holanda.

Figura 3.1-9. Don quijote de la mancha frente a los molinos.

Figura 3.1-10. Molino de viento manchego.

Figura 3.1-11. Molino de viento en Cádiz.

Figura 3.1.12. Molino de viento mediterráneo.

3.2 Pioneros de los aerogeneradores.

A principios del siglo XIX, el aprovechamiento de la energía eólica en la industria

empezó a disminuir como consecuencia del desarrollo de la máquina de vapor. Durante

dicho siglo. El principal objeto de atención en los desarrollos tecnológicos de los

molinos fueron las aspas y la forma de controlar automáticamente la velocidad del eje

de rotación, sin embargo, dentro de las experiencias en relación a molinos de viento en

el siglo XIX, destacan el molino multípara americanas y los aerogeneradores de Poul la

Cour y de Brush.

El pionero de la energía eólica: Poul la Cour, que tuvo originalmente una formación

como meteorólogo, fue el pionero de las modernas turbinas eólicas generadoras de

electricidad. Poul la Cour fue uno de los pioneros de la moderna aerodinámica, y

construyó su propio túnel de viento para realizar experimentos.

Figura 3.2-13. Poul la Cour y a su esposa Christine en Askov (1846-1908).

La Cour se preocupaba del almacenamiento de energía y utilizaba la electricidad de sus

turbinas eólicas para producir electrólisis y obtener así hidrógeno para las lámparas de

gas de su escuela. La Cour impartía cada año diversos cursos para electricistas eólicos

en el instituto Folk de Askov.

Figura 3.2-14. La fotografía muestra la promoción de 1904.

La Cour fundó la "Society of Wind Electricians", que en 1905, un año después de su

fundación, contaba con 356 miembros.

En 1918 unas 120 empresas públicas locales tenían un aerogenerador, generalmente del

tamaño de 20 a 35 Kw, haciendo un total de 3 megavatios de potencia instalada.

Estas maquinas cubrían alrededor de un 3 por ciento del consumo de electricidad de

Dinamarca en aquel momento. Sin embargo, el interés danés en la energía eólica decayó

en los años siguientes, aunque una crisis de suministro durante la Segunda Guerra

Mundial hizo que se afianzara.

Figura 3.2-15. La revista de electricidad eólica.

Otro de los pioneros de la turbina eólica: Charles F. Brush. El pionero olvidado de la

maquina eólica es uno de los fundadores de la industria eléctrica americana. Inventó

por ejemplo una dinamo muy eficiente de corriente continua utilizada en la red eléctrica

pública, la primera luz de arco eléctrico comercial, así como un eficiente método para la

fabricación de baterías de plomo-ácido. Su compañía, la Brush Electric, en Cleveland

(Ohio), fue vendida en 1889 y en 1892 se fusionó con la Edición General Electric

Company bajo el nombre de General Electric Company (GE).

Figura 3.2-16. Charles F. Brush (1849-1929).

El 20 de diciembre de 1890 la revista “Scientific American” publicaba una muy

detallada descripción de la maquina eólica de Brush.

Es particularmente célebre por su sistema de control eléctrico totalmente automatizado.

Sus principios, mediante la utilización de solenoides, no cambian mucho con las futuras

generaciones de maquinas eólicas hasta 1980 aproximadamente, cuando los

controladores de los aerogeneradores son equipados con ordenadores.

Figura 3.2-17. El artículo “Scientific American” sobre la maquina eólica de Brush.

En 1883, Stewart Perry diseño el pequeño multipala americano, de 3 metros de

diámetro, que utilizo para bombear agua. Hasta ese momento, las velocidades

alcanzadas en el extremo de la pala eran del mismo orden de magnitud que las

del viento, mientras que en este molino multípala se logro alcanzar una

velocidad en punta de pala que dobla la del viento.

Figura 3.2-18. Molino de viento multipala americano.

En 1882, en Dinamarca, Poul La Cour proyecto la maquina precursora de los

actuales aerogeneradores, o lo que es lo mismo, el primer aerogenerador capaz de

producir energía eléctrico, con potencias unitarias comprendidas entre 5 y 25 Kw

Este empezó a funcionar poco después que el primer generador eléctrico de vapor.

Dos de sus aerogeneradores de prueba en 1897 en el instituto de Askov Folk, Askov

(Dinamarca).

Figura 3.2-19. Los aerogeneradores de la Cour.

También Brush (1884-1924) diseño y construyo otro de los primeros

aerogeneradores productores de energía eléctrica.

Figura 3.2-20. Aerogenerador de Brush.

Durante las primeras décadas del siglo XX se aplico la mecánica de fluidos a las formas

aerodinámicas, lo que permitió comprender la naturaleza y el comportamiento de las

fuerzas que actúan alrededor de las palas de las maquinas eólicas. Son los mismos

científicos que desarrollaron esta teoría para usos aeronáuticos los que establecieron los

criterios básicos que debían cumplir las nuevas generaciones de maquinas eólicas.

A pesar del mayor rendimiento de las nuevas maquinas eólicas y de los esfuerzos

realizados, la dificultad de almacenamiento de la energía generada y los inconvenientes

asociados a la irregularidad de los vientos fueron la causa de que las aplicaciones

basadas en el aprovechamiento de la energía del viento como recurso energético

continuaran declinando hasta al final de la primera guerra mundial.

A esto hay que añadirle que los combustibles fósiles, en particular el petróleo

empezaron a imponerse como la principal e insustituible fuente de energía, sin embargo,

el petróleo presenta un grave inconveniente ya que crea una dependencia energética se

hacía patente, se adoptaban políticas de apoyo hacia los recursos autóctonos, que se

abandonaban una vez que se superaba dicha crisis.

Tras la primera guerra mundial (1914-1918), debido a la fuerte expansión de la

electricidad como sistema energético universal y a la escasez de recursos para importar

petróleo. Esto apoyo a los recursos energéticos autóctonos que comenzó justo después

de la gran guerra, se mantuvo durante la década de los treinta, como consecuencia de las

políticas proteccionistas adoptada por los países occidentales tras la crisis de 1929. Este

desarrollo de energía eólica se centro en la evaluación de los recursos disponibles, la

obtención y el tratamiento de datos meteorológicos, la elaboración de mapas eólicos y la

localización de emplazamientos para la instalación de equipos.

El desarrollo del aprovechamiento de la energía eólica se produjo tanto en instalaciones

de poca potencia, las primeras se utilizaban para cubrir las necesidades de explotación

agrícolas o industriales situadas en zonas más o menos aisladas a las que todavía no

llegaba la red eléctrica. Las instalaciones de gran potencia tuvieron auge en Europa y en

los Estados Unidos, destacando entre los proyectos de este tipo el Honde Alemán, que

consistía en torres de 300 metros de altura, con 3 o 5 rotores de 150 metros de diámetro,

capaces de generar 75 y el Heronemus de Estados Unidos, constituidos por torres de

113 metros de altura con 3 rotores de 73 metros de diámetro cada uno.

Figura 3.2-21. Articulo de las Maquinas eólicas de Honnef.

A continuación se exponen las aportaciones y avances más importantes de los años

mencionados en los párrafos anteriores, del periodo de entre guerras, en cuanto a la

tecnología de los molinos de viento:

El alemán hütter utilizo por primera vez materiales plásticos para la fabricación de

las palas, consiguiendo con ello reducir su precio de forma apreciable. Destacan,

dentro de los molinos de viento que diseño, un modelo Tripala de 8 Kw, por estar

regulado por paso variable mediante un sistema mecánico de contrapesos que

actuaban por efecto de la fuerza centrifuga, y un aerogenerador de 100 Kw, cuyo

rotor de 33 m de diámetro estaba fabricado con resina epoxi y refuerzo de fibra de

vidrio.

En el año 1924, el ingeniero Sigurd Savonius diseño un rotor formado por dos

semicilindros dispuestos alrededor de un eje vertical, cuya principal ventaja consistía

en trabajar con velocidades de viento muy bajas. Además, presentaba buenas

características aerodinámicas para el autoarranque y la autorregulación, y era

particularmente interesante para el bombeo de agua en las aplicaciones de riego.

En el año 1927, el Holandés A. J. Dekker construyo el primer rotor provisto de palas

con secciones aerodinámicas, para lo que se baso en la forma de las alas de los

aviones. Este se caracterizaba por alcanzar velocidades en punta de pala cuatro o

cinco veces superior a las velocidades del viento indecente.

También en 1927, Betz demostró que el rendimiento de las turbinas aumentaba con

la velocidad de rotación y que ningún sistema eólico podía aprovechar más del 60%

de la energía contenida en el viento. Demostró, asimismo, que cuanto mayor era la

velocidad de rotación menor importancia tenía el numero de palas, por lo que las

turbinas podían incluso construirse con una sola pala que disminuyera,

significativamente, su rendimiento aerodinámico.

Marcellus Jacobs se dedico a estudiar la posibilidad de adoptar los antiguos molinos

de bombeo como aerogeneradores. El resultado de sus trabajos fue el modelo

Jacobs, que consistía en un rotor de tres palas que evitaba problemas de vibraciones,

las cuales habían resultado considerables en pruebas realizadas con rotores Bipala.

Los aerogeneradores diseñados por la casa de Jacobs eran de potencia reducida,

siendo el modelo más conocido el de 1 Kw de potencia unitaria, con rotor de 5

metros de diámetro, sistema de regulación por paso variable, accionado por masas

centrifugas, que demostró su fiabilidad después de afrontar tifones en el Caribe y

tormentas en la Antártida.

Figura 3.2-22. Aerogenerador de Jacobs de 1 kw.

En el 1931 fue patentado el rotor Darrieux, l construido por hojas perfiladas que

giraban alrededor de un eje vertical.

Figura 3.2-23. Darrieux de eje vertical.

El aerogenerador Windcharger, desarrollado en Estados Unidos, disponía de dos

palas y un sistema de regulación mediante freno aerodinámico que actuaba por

acción centrifuga.

El aerogenerador Windstram 33, desarrollado en Estados Unidos, utilizaba un

dispositivo hidráulico para variar el peso del rotor y regular la potencia.

Los aerogeneradores MP 20, desarrollados en estados unidos, utilizaban el efecto de

frenado aerodinámico cuando la velocidad del viento era superior a la nominal.

3.2.1 Pioneros de la energía eólica, 1940-1950

Durante la segunda guerra mundial, la compañía danesa de ingeniería F.L. Smidth

(ahora un fabricante de maquinaría para la industria cementera) construyó diversos

aerogeneradores Bi y Tripala.

Figura 3.2.1-24. Las Maquinas de Smidth.

Entre 1941 y 1945 se construyo en Estados Unidos, la unidad Smith-Putnam que

sería la más grande del mundo instalada hasta

1978, con dos aspas de 53 metros de diámetro, y

con una potencia nominal de 1,25 MW. Después

de 1100 horas de operación, una aspa defectuosa

freno la operación y con eso el experimento.

Esta máquina F.L. Smidth Tripala de la isla de Bogó, fabricada en 1942, ya se parece

más a una máquina "danesa". Formaba parte de un sistema eólico-diesel que regía el

suministro eléctrico de la isla.

Figura 3.2.1-25. Máquina Tripala de F.L. Smidth.

Percy Thomas presento al congreso el proyecto de un aerogenerador eólico de 65

MW de potencia. El modelo era un multirotor situado sobre una torre de 145 metros

de altura que operaba con velocidades de viento de 45km/h. el proyecto no fue

aprobado, posiblemente por estar todavía reciente el fracaso del experimento

Smith-Putnam.

Figura 3.2.1-26. Aerogenerador Smith-Putnam.

Una vez finalizada la segunda guerra mundial (1939-1945) y

como consecuencia del periodo de escasez que la siguió,

los países europeos elaboraron programas nacionales

para elegir los emplazamientos más adecuados donde deberían instalarse las grandes

plantas eólicas que se proyectaban. Este periodo de desarrollo del aprovechamiento de

la energía eólica comenzó en los años cincuenta y se prolongo hasta mediados de los

setenta. A continuación se exponen algunas de las experiencias más importantes que

sucedieron en dichos periodos:

En el año 1950, se construyo en gran Bretaña un aerogenerador de 100 kw, de

rotor Tripala y con paso de pala variable. Se diferencio de otras experiencias en

que las palas no eran alabeadas.

En el año 1950, Andreau Enfield construyo en Francia un aerogenerador que se

caracterizaba porque, al ser sus palas huecas, al girar, la fuerza centrifuga

expulsaba el aire por su extremo y la depresión que se originaba se utilizaba para

accionar una maquina colocada en la base de la torre del aerogenerador.

Entre los años 1957 y 1959 en Dinamarca, cerca de Gedser, se construyo un

aerogenerador con una potencia nominal de 200 Kw, rotor de tres aspas de 24

metros, y que se regulaba mediante alerones en sus extremos. Después de un

periodo inicial de prueba opero normalmente hasta 1967.

El innovador aerogenerador de Gedser fue construido en 1956-1957 por J. Juul para la

compañía eléctrica SEAS en la costa de Gedser, en la parte sur de Dinamarca.

ºFigura 3.2.1-27. El aerogenerador de Gedser.

El aerogenerador de Gedser fue reacondicionado en 1975 a petición de la NASA, que

quería resultados de medición de la máquina para el nuevo programa estadounidense de

energía eólica. La máquina funcionó durante pocos años para las mediciones de prueba

antes de ser desmantelada.

Figura 3.2.1-28. Generador Gedser en funcionamiento.

En el año 1958, se construyo en Francia el aerogenerador de Best-Romani,

capaz de generar 800 kw. Disponía de tres palas, las cuales tenía forma

trapezoidal, y estaban recubiertas con una chapa de aleación ligera remachada.

Estaba preparado para funcionar con velocidades de viento de hasta 65 km/s.

contaba con dos frenos, uno mecánico y otro eléctrico, de modo que cuando la

velocidad era excesiva, actuaban con el fin de parar la maquina y desconectarla

de la red. Otra característica que le diferencio de otras experiencias es su

cimentación a modo de trípode.

En 1960 se construyo en Hungría un aerogenerador de unos 200 kw, diseñado

para funcionar con vientos débil intensidad. Mediante un sistema electrofónico,

lograba que el aerogenerador se orientase frente al viento en el intervalo de

velocidades de 3 m/s a 10.4 m/s y se separarse de la dirección del viento

cuando la velocidad era mayor. En caso de velocidades de viento inferiores a 3

m/s el sistema de control aislaba el generador de la red. El sistema de

orientación solo intervenía si la dirección del viento en un ángulo superior a 15

grados.

En 1962, entro en funcionamiento en Francia el aerogenerador Neyrpic de 132

kw, que se caracterizaba por orientarse con la ayuda de rotores auxiliares.

En 1963 se instalo una unidad de 1 MW en Francia.

A mediados de los sesenta, una vez restablecida la economía internacional, la energía

eólica acaba perdiendo interés al no resultar sus precios competitivos con los de los

combustibles fósiles convencionales, por lo que el bajo precio del petróleo cerro el

camino al desarrollo de la tecnología eólica.

En el año 1973 comenzó la crisis del petróleo, a raíz de la decisión de la organización de

los países Exportadores de Petróleo Árabes de no exportar más petróleo a los países que

había a Israel durante la guerra de Yom Kippur, que enfrentaba Israel con Siria y

Egipto. Esta medida incluía a Estados Unidos y a sus aislados de Europa occidental.

Al mismo tiempo, los miembros de la organización de los países exportadores de

petróleo (OPEP) acordaron utilizar su influencia sobre el mecanismo que fijaba el

precio mundial del petróleo para cuadruplicar su precio, después de que fracasaran las

tentativas previas de negociar con las “siete hermanas”.

El aumento del petróleo, unido a la gran dependencia que tenía el mundo industrializado

del petróleo de la organización de los países Exportadores de Petróleo, provoco un

fuerte efecto inflacionista y una reducción de la actividad económica de los países

afectados. Estos Países respondieron con una serie de medidas permanentes para frenar

su dependencia exterior. Esto produjo un nuevo impulso de las energías renovables,

especialmente la eólica.

Actualmente hay un modelo de máquinas muy generalizado, los molinos Multipala del

tipo americano. Directamente a través de la energía mecánica o por medio de bombas

estos molinos extraen el agua de los pozos sin más ayuda que la del viento. Por otra,

están ese tipo de eólicas que levan unidas un generador eléctrico y producen corriente

cuando sopla el viento, reciben entonces el nombre de aerogeneradores. Los

aerogeneradores pueden producir energía eléctrica de dos formas: en conexión directa a

la red de distribución convencional o de forma aislada.

CAPÍTULO IV: MARCO DE REFERENCIA.

4.1 La alternativa de la eólica de baja potencia.

En un escenario energético más amplio, con ciertas restricciones geográficas y

climatológicas, la energía eólica puede complementar a otras soluciones cuyo

acercamiento a estas zonas es bastante costoso. Este hecho, amplia el abanico de

proyectos de producción y consumo de energía en zonas donde el costo de la extensión

de la conexión a la red eléctrica resulta inviable, y en muchas ocasiones la situación más

asequible puede ser un sistema híbrido que combine energía eólica, fotovoltaica y

generadores diesel.

4.1.1 Aerogeneradores pequeños para el desarrollo rural.

El aerogenerador convierte la energía del viento en energía eléctrica, que puede ser

usada para la carga de baterías, electrificación de casas y granjas, reducción del

consumo de generadores diesel, accionamiento de bombas para la extracción de agua,

medio de emergencia en el hogar etc. Dada la naturaleza intermitente del viento, es

usual incorporar al sistema algún tipo de dispositivo de almacenamiento, se vienen

utilizando baterías convencionales de plomo-ácido con una capacidad de 1kWh.

4.1.2 Construcción de aerogenerador de imanes permanentes.

Enginyeria Sense Fronteres (ESF) en colaboración con “Intermediated Technology

Development Group” (ITDG) propone la construcción de un aerogenerador simple de

imanes permanentes, basado en el modelo existente desarrollado por ITDG con el

patrocinio del “UK Departament for International Development”. En los últimos años,

ITDG ha desarrollado una gran actividad introduciendo este tipo de máquinas en Perú y

en Sri Lanka (Reino Unido), dentro de programas integrales de desarrollo.

4.2 Ejemplos de uso del aerogenerador de baja potencia.

Los aerogeneradores que se tratan han sido diseñados para hogares familiares en zonas

de vientos moderados sin acceso a la red eléctrica. Pensados para construcción local, y

ser lo más baratos posible. La peculiaridad principal del aerogenerador de ITDG, el IT-

100 es que funciona con un generador de imanes permanentes o “Permanent Magnet

Generator” (PMG).

Figura. 4.2-29. Utilización de un aerogenerador de baja potencia en una casa rural en Zimbabwe (Hugo Piggott) en Perú.

Figura. 4.2-30. Fluorescente potenciado por viento utilizado como luz exterior en Sri Lanka, para mantener alejados a los elefantes de la casa y los cultivos (Simón Dunnett) en Reino Unido.

A continuación se muestra la producción aproximada mensual para varios tamaños de aerogeneradores (PMG) en varias localizaciones.

Diámetro del rotor (m)

velocidad media del viento (m/s)3 4 5 6

1 2 6 10 202 10 25 50 703 20 60 100 1604 40 100 200 2805 60 160 300 430

Tabla 1. Producción aproximada de energía mensual (kWh).

Partiendo de manera aproximada, y para dar una idea general de los niveles de

suministro de un aerogenerador de baja potencia, se puede aceptar la tabla anterior

como primera aproximación que sirve para poder comparar la generación de energía con

los ejemplos reales de demandas de energía de varias casas que se muestran

seguidamente. Los ejemplos describen las necesidades energéticas en casas de un

pueblo de Sri Lanka (Reino Unido). Estos son cálculos aproximados, así que es

apropiado abarcar todos los datos.

AparatoPotencia nominal (W)

Numero Horas de uso diario

Demanda energética diaria Wh

Demanda mensual (kWh)

Fluorescente 20 3 4 240 7.2TV sin color 30 1 4 120 3.6Radio-casete 10 1 5 50 1.5Energía total requerida       410 12.3Energía total con pérdidas de energía en batería (+25%)

      512.5 15.4

Máxima potencia requerida

100        

Potencia media requerida (Wh totales/24h)

      21  

Tabla 2. Ejemplo 1, demanda eléctrica en una casa Sri Lanka (Reino Unido).

La potencia máxima demandada puede ser de ayuda en la elección de los cables, o el

inversor, para conocer el pico de demanda. Finalmente la potencia media se puede

encontrar dividiendo la energía por día por 24 horas al día. La potencia media da una

idea más significativa del tamaño del sistema de lo que lo hacen los números de energía

diarios. Las demandas de potencia no darán exactamente el suministro en un momento

dado. El uso de baterías efectivamente soluciona este problema, y permite al usuario

coger energía cuando el viento es ligero o no hay, y guardar energía cuando el viento es

fuerte. Así mientras la potencia media que entra en la batería sea la misma que la

potencia media que sale durante un periodo de unas pocas horas (o tanto tiempo como

permita la capacidad de las baterías) la casa no debería acabarse la electricidad, incluso

si ellos usan más potencia que la media por un rato. Esto significa que el generador solo

necesita, como media, producir el requerimiento de potencia media más que una

potencia de pico. En realidad necesitará producir algo más de potencia que la media

demandada ya que se producen pérdidas de energía en el sistema.

4.2.1 Otros ejemplos reales.

Aparato Potencia nominal (W)

Numero Horas de uso diario

Demanda energética diaria (Wh)

Demanda mensual (KWh)

Fluorescente 20 3 4 240 7.20TV sin color 30 1 1 30 0.90Radio-casete 10 2 5 100 3Energía total requerida       370 11.10Energía total con pérdidas de energía en batería (+25%)

      462.50 13.87

Energía total con pérdidas de energía en inversor (+10%)

      508.75 15.26

Máxima potencia requerida 110        Potencia media requerida (Wh totales/24h)       21  

Tabla 3. Ejemplo 2, demanda eléctrica en una casa en Sri Lanka (Reino Unido).

AparatoPotencia

nominal (W)Numero

Horas de uso diario

Demanda energética diaria (Wh)

Demanda mensual (KWh)

Fluorescente 20 3 4 240 7.20TV sin color 30 1 1 30 0.90Radio-casete 10 2 5 100 3

Mantequera C.A (2 h/sema) 200 1 0.25 50 1.50

Energía total requerida       420 12.60Energía total con pérdidas de energía en batería (+25%)

      525 15.75

Energía total con pérdidas de energía en inversor (+10%)

      577.50 17.32

Máxima potencia requerida 110        Potencia media requerida (Wh totales/24h)       24  

Tabla 4. Ejemplo 3, demanda eléctrica de una casa en Sri Lanka (Reino Unido).

AparatoPotencia

nominal (W)Numero

Horas de uso diario

Demanda energética diaria (Wh)

Demanda mensual (KWh)

Fluorescente 20 3 4 240 7.20Radio-casete 10 1 5 50 1.50Energía total requerida       290 8.70Energía total con pérdidas de energía en batería (+25%)       362.50 10.87

Energía total con pérdidas de energía en inversor (+10%)       398.75 11.96

Máxima potencia requerida 70        

Potencia media requerida (Wh totales/24h)       17  

Tabla 5. Ejemplo 4, demanda eléctrica de una casa en Sri Lanka (Reino Unido).

Otro ejemplo, es la implementación de un aerogenerador de imanes permanentes en el

proyecto de Ramírez Pérez Rodrigo, fue realizado en el Carrizal Paxtlán, Oaxaca

México. El cual fue un proyecto que presente buenos resultados en su implementación,

con lo que se puede decir que este proyecto fue diseñado para personas de zonas rurales,

aportando grandes beneficios.

Figura. 4.2.1-31. Aerogenerador Instalado en el Carrizal Paxtlán, Oaxaca México.

El ejemplo anterior, fue uno de los proyectos con características similares a la del

proyecto establecido en la instigación, debido a que no solo tenía características

semejantes de diseño sino también del recurso eólico.

A si pues, conociendo las necesidades en cada hogar y la disponibilidad eólica en Las

Peñas, Michoacán, se puede estimar el tipo de aerogenerador que será necesario para su

implementación de acuerdo a sus necesidades.

CAPÍTULO V: MARCO CONCEPTUAL.

5.1 El viento.

Se considera viento a toda masa de aire en movimiento, que surge como consecuencia del

desigual calentamiento de la superficie terrestre, siendo la fuente de energía eólica, o mejor

dicho, la energía mecánica que en forma de energía cinética transporta el aire en

movimiento. La Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol que en

lugares favorables puede llegar a ser del orden de 2000 Kw/m2 anuales; el 2% de ella se

transforma en energía eólica capaz de proporcionar una potencia del orden de 1017 Kw.

A) Irradiación solar sobre una superficie horizontal; B) Irradiación solar absorbida por la tierra C) Irradiación radiada al espacio exterior.

Figura 5.1-32. Irradiación solar.

La Tierra funciona como una gran máquina térmica que transforma parte del calor solar en

la energía cinética del viento, Figura 5.1-37. La energía eólica tiene como ventajas la de

ser inagotable, gratuita y no lesiva al medio ambiente, pero cuenta también con los grandes

inconvenientes de ser dispersa y aleatoria. Bajo la acción de la presión, el aire de la

atmósfera se desplaza de un lugar a otro a diferentes velocidades, dando lugar al viento.

El gradiente de velocidades es mayor cuanto mayor es la diferencia de presiones y su

movimiento viene influenciado por el giro de la Tierra.

Las causas principales del origen del viento son:

La radiación solar que es más importante en el Ecuador que en los Polos.

La rotación de la Tierra que provoca desviaciones hacia la derecha en el

Hemisferio, Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur

Las perturbaciones atmosféricas.

El movimiento de la Tierra se rige por la siguiente relación entre aceleraciones:

aabsoluta .=arelativa .+aarrastre .+acoriolis .

En aquellas zonas en donde la radiación solar es más intensa, como en el Ecuador, el

globo terrestre acumula calor principalmente en el océano, calor que, por el contrario, se

pierde en los Polos; sin embargo, ni el Ecuador ni los Polos vienen a ser, por término

medio, los lugares más calientes, o más fríos, de la superficie terrestre. Al calentarse el

aire en el Ecuador asciende y es sustituido por el aire más próximo a los Polos, generales

que afectan a las islas Canarias. Este flujo no se proyecta directamente sobre los Polos

debido a la fuerza de Coriolis que aparece como consecuencia del movimiento de rotación

de la Tierra, que modifica su curso; esta fuerza depende de la velocidad del viento y de la

rotación de la Tierra, por lo que las masas de aire caliente se desplazan por esta

circunstancia hacia el Este; la circulación general es semejante y simétrica en cada uno de

los dos hemisferios, (Figura 5.1-33), yendo de O a E en el hemisferio Norte. El eje

principal de esta circulación es una corriente en chorro que se produce por encima de los

10.000 metros a una presión de 300 mb; se trata de un viento del Oeste que, en el

hemisferio Norte, se localiza hacia el paralelo 45°, siendo su velocidad media de 200

km/hora, pero puede llegar a sobrepasar los 500 km/hora. A lo largo del eje del chorro

circulan otras corrientes de aire a velocidades diferentes. El formándose la llamada

circulación de Hadley, que se hace inestable a unos 30° de latitud y origina unos vientos

desplazamiento de las masas de aire se efectúa desde las zonas en las que la presión de la

atmósfera y, por lo tanto la del aire, es más elevada (anticiclones), hacia las zonas de

presión más baja (depresiones ó ciclones), por la aceleración de Coriolis. Las depresiones

y los anticiclones están representados en las cartas meteorológicas por el trazado de las

isobaras.

Figura 5.1-33.Circulación general en la superficie.

La circulación general en superficie depende del reparto medio de las presiones a lo largo

de un cuarto de meridiano terrestre. Para el hemisferio Norte existe un centro anticiclónico

en el Polo, un eje de depresión hacia los 60°N, un eje anticiclónico hacia los 30°N,

conocido como cinturón subtropical, y una banda de depresión hacia el Ecuador. El viento

perfila o contornea los anticiclones en el sentido de las agujas del reloj, dirigiéndose hacia

las depresiones, y las contornea en sentido contrario.

Un esquema de vientos generales es el siguiente:

Entre 90°N y 60°N, aire ártico (muy frío) (Circulación de Rossby)

Entre 60°N y 40°N, aire polar (frío)

Entre 40°N y 5°N, aire tropical (templado)

Entre 5°N y 5°S, aire ecuatorial (cálido)

En el límite de estas diferentes masas de aire existen zonas conflictivas o zonas frontales

como:

El frente ártico entre el aire ártico y el aire polar.

El frente polar entre el aire polar y el aire tropical.

La zona de convergencia intertropical, entre el aire tropical y el aire ecuatorial, en

la que soplan vientos regulares (alisios) del Nordeste, contorneando el anticiclón

de las Azores, (Corriente de Hadley).

Las diferentes masas de aire, así como los ejes de depresión (60°) y anticiclónicos (30°), se

desplazan según las estaciones en el sentido del movimiento aparente del Sol; en el

hemisferio Norte existe, en invierno, una traslación general hacia el Norte, y en verano

hacia el Sur. En el hemisferio Sur sucede al revés; estos vientos se denominan monzones.

5.1.1 Tipos de viento.

El conocimiento de los vientos generales no es suficiente para una correcta utilización y

ubicación de máquinas accionadas por el viento, por cuanto existen factores que modifican

el régimen general y que deben ser conocidos y tenidos en cuenta a la hora de realizar un

proyecto de este tipo. El viento sinóptico sopla prácticamente en la horizontal, lo que

permite esquematizar su movimiento por un vector orientado en el sentido hacia el cual

sopla y cuyo

origen está

situado en el

lugar de obser-

vación. Los

vientos regionales están regidos también por desplazamientos a la escala sinóptica de las

masas de aire, (que es más fina y precisa que la circulación general de Hadley).

Figura. 5.1.1-34 Vientos de Levante.

Figura. 5.1.1-35 Vientos de Poniente.

La dirección del viento a nivel del suelo, medida generalmente a algunos metros sobre el

mismo, está fuertemente influenciada por la situación topográfica del lugar

considerado.

La frecuencia de las direcciones no es siempre una característica general en consonancia

con la situación isobárica media como puede ser la posición respectiva media de los

anticiclones y de las depresiones en el transcurso de los años; los vientos particulares y

locales son la prueba.

Brisas: Una aplicación del axioma anterior es la justificación del movimiento del aire

tierra-mar en las costas, o tierra-agua en los lagos durante el día y la noche, Figura 5.1.1-

37; en las faldas de las montañas el aire se calienta durante el día y se va hacia las alturas,

mientras que en la noche el aire frío, más pesado, baja hacia los valles, Figura 5.1.1-36.

Figura 5.1.1-36. Esquema general de un viento particular tierra-mar y viceversa (brisas).

Figura 5.1.1-37. Brisas de mar, vientos particulares y locales.

5.1.2 Velocidad del viento.

El viento viene definido por dos parámetros esenciales que son, su dirección y su

velocidad. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo conducen a la

ejecución de la llamada rosa de los vientos, Figura 5.1.2-38. La velocidad media del viento

varía entre 3 y 7 m/seg, según diversas situaciones meteorológicas; es elevada en las

costas, más de 6 m/seg, así como en algunos valles más o menos estrechos. En otras

regiones es, en general, de 3 a 4 m/seg, siendo bastante más elevada en las montañas,

dependiendo de la altitud y de la topografía.

La velocidad media del viento es más débil durante la noche, variando muy poco, aumenta

a partir de la salida del Sol y alcanza un máximo entre las 12 y 16 horas solares.

Para realizar la medida de las velocidades del viento se utilizan los anemómetros; existen

muy diversos tipos de estos aparatos, que en un principio se pueden clasificar en

anemómetros de rotación y anemómetros de presión.

Figura 5.1.2-38 Rosa de los vientos.

Figura 5.1.2-39. Rosas de viento características para un flujo dominante dentro de un valle, en una planicie sur y por encima de las elevaciones extremas de un valle.

5.1.3 Aparatos de medición del viento.

El anemómetro de rotación más característico es el de Papillon, que es un molino de eje

vertical con cazoletas en forma de semiesfera o el de aletas oblicuas de Jules Richard.

El anemómetro de presión se basa en el método del tubo de Pitot.

Figura 5.1.3-40. Diversos tipos de anemómetros.

La dirección del viento se comprueba mediante una veleta, y la velocidad se mide con

un anemómetro. Según sea la velocidad se pueden considerar tres tipos de definiciones:

— Viento instantáneo; se mide la velocidad del viento en un instante determinado.

— Viento medio aeronáutico; se mide la velocidad media durante 2 minutos.

— Viento medio meteorológico; se mide la velocidad media durante 10 minutos.

Hay que distinguir también entre golpe de viento y ráfagas:

La ráfaga es un aumento brutal y de corta duración de la velocidad del viento, propio de

tormentas y borrascas.

El golpe de viento concierne a la velocidad media del viento, cuando sobrepasa los 34

nudos, 62 km/hora, y es una señal de advertencia, sobre todo para la navegación marítima.

Un golpe de viento se corresponde con una velocidad media del viento comprendida entre

75 y 88 km/hora.

Las fuentes eólicas más interesantes se encuentran en las costas marinas y en

determinados pasos entre montañas; existen zonas en las que se puede disponer de más de

3.000 KWh/m2 año, y en otras puede que no se llegue a los 200 Kw/m2 año.

En una máquina eólica se pueden considerar tres velocidades del viento características:

La velocidad de conexión υconex. Es la velocidad del viento por encima de la cual se genera

energía. Por debajo de esta velocidad toda la energía extraída del viento se gastaría en

pérdidas y no habría generación de energía.

La velocidad nominal νnom es la velocidad del viento para la cual la máquina eólica alcanza

su potencia nominal.

Por encima de esta velocidad la potencia extraída del viento se puede mantener constante.

La velocidad de desconexión νemb es la velocidad del viento por encima de la cual la

máquina eólica deja de generar.

5.1.4 Energía útil del viento.

En una corriente de aire la densidad ρ y la velocidad ν, como se indica en la figura 5.1.4-

41, la potencia eólica disponible que atraviesa una superficie A y hace un recorrido L en el

tiempo t, viene dada por la expresión:

NVIENTO=ECinetica

t=

m ν2

2t

= ν2

2t( ν t A ρ )= ρ A ν2

2=₰∗ν2

Figura 5.1.4-41. Área A barrida por el rotor de diámetro D.

La sección barrida por la pala en un aerogenerador de eje horizontal y diámetro D es:

A=π D2

4 y la potencia del viento: NViento=

πρ D2 ν3

8

La velocidad del viento varía con el tiempo y, por lo tanto, su potencia N también

variara; se puede considerar el valor medio de ambas, por ejemplo a lo largo de un año,

obteniéndose:

NViento=12

ρ A v Anual .3

5.2 Aerogenerador.

Es una máquina, cuya función es la de transformar la mayor parte de energía

proveniente del viento en otro tipo de energía útil. En la mayor parte de los casos

prácticos, esta energía útil es eléctrica. Al chocar el aire sobre las aspas oblicuas del

aerogenerador, la energía cinética del viento se convierte en energía mecánica a su vez

es trasformada en energía eléctrica mediante un generador.

Es importante resaltar que debido a los últimos avances tecnológicos los

aerogeneradores han ido mejorando en su eficiencia y disminuyendo su precio. Una

muestra de este mejoramiento es el avance electrónico logrado por la inteligencia

artificial en algunos modelos y esto repercute en la mayor capacidad de captación de la

energía de viento disponible.

Los aerogeneradores han crecido de manera espectacular, tanto en tamaño como en la

potencia producida. Un aerogenerador danés típico de 1980 posee un generador de 26

KW y un diámetro de rotor de 10.5 metros. Mientras que un generador moderno tiene

un diámetro de rotor de 7 metros y una potencia de 10Kw.

Figura. 5.2-42. Variación del coeficiente de potencia Cp. para distintos

tipos de aerogeneradores.

Antes de conocer cómo funciona una maquina eólica o generador eólico es necesario

conocer sus principales componentes a grandes rasgos (luego se detallaran mejor cada

parte y sus funciones).

5.2.1 Componentes principales de un aerogenerador.

Generar energía a partir del viento es simple: el viento pasa sobre las aspas del

aerogenerador y provoca una fuerza giratoria. Las palas hacen rodar un eje que hay

dentro, que entra a una caja de cambios. La caja de cambios incrementa la velocidad de

rotación del eje proveniente del rotor e impulsa el generador que utiliza campos

magnéticos para convertir la energía rotacional en energía eléctrica.

Técnicamente las turbinas de bajo potencial eólico tienen una estructura similar a las

grandes, solo que su diseño es más simple. Como en general, el aerogenerador más

empleado es el de eje horizontal, a continuación se hace una descripción de los

componentes principales que constituyen ese tipo de aerogenerador (Figura 5.2.1-43).

Figura 5.2.1-43. Componentes de un aerogenerador de eje horizontal.

5.2.2 Rotor.

La función del rotor es transformar la energía cinética del viento en energía mecánica.

Cuanto mayor sea el área barrida por el rotor mayor será la producción de energía. Por

ejemplo un aerogenerador de 10 Kw de potencia tiene un diámetro, aproximadamente,

de siete metros, mientras que una turbina eólica de 750 Kw posee un diámetro de 24

metros.

Según la disposición del rotor se distinguen básicamente dos tipos de aerogeneradores

(Figura 5.2.2-44):

1.- Rotor a barlovento: el viento incide primero sobre el plano del rotor y

posteriormente sobre la torre de sustentación, con lo cual se minimiza la influencia de

su sombra sobre el rotor.

En este tipo se requiere un sistema de orientación que mantenga siempre el plano de

giro del rotor perpendicular a la dirección del viento.

2.- Rotor a sotavento: en este caso no se requiere ningún dispositivo de orientación. Su

desventaja radica, además de los efectos de sombra que producen la góndola y la torre

sobre las palas del rotor, con la consiguiente pérdida de potencia y aumento de tensiones

de fatiga, en la disposición del sistema de cables conductores que deben transportar la

energía eléctrica producida por el generador situado en el interior de la góndola, al ser

ésta giratoria.

Figura 5.2.2-44. Disposicion del rotor de acuerdo a la relacion del viento.

En la mayoría de los casos el rotor se encuentra situado a barlovento, con el objeto de

reducir las cargas cíclicas sobre las aspas.

El rotor está formado por dos partes bien diferenciadas.

a) Las palas.- El número de palas en una turbina eólica es muy variable, una, dos, tres o

Multipalas.

A la hora de diseñar un aerogenerador hay que considerar que el rotor girará a mayor

velocidad cuanto menor sea el número de palas que posee y que para la generación de

electricidad es aconsejable que el rotor gire al mayor número de revoluciones posibles.

Por lo tanto, el número de palas debe de ser bajo, 1, 2 ó 3 palas. En general, los

aerogeneradores constan de tres palas ya que es el menor número de palas que permite

ahorrar más material y peso sin complicar el sistema. Algunos modelos utilizan rotores

Bi-palas o Mono-palas, que logran un ahorro todavía mayor pero tienen el

inconveniente de que son menos eficientes y deben de introducir sistemas de control

más complicados para mejorar su estabilidad. Además, en el caso de los

aerogeneradores Tripalas cabe destacar que producen menor ruido aerodinámico que los

Mono-palas y Bi-palas, propiedad que es muy importante, sobre todo, cuando este tipo

de maquinas son utilizadas para el abastecimiento eléctrico en puntos aislados, o lugares

urbanos donde generalmente la máquina se debe emplazar en las cercanías de la

población y se debe minimizar la perturbación introducida en el hábitat natural.

Los materiales tradicionales, madera, aluminio, etc., que se utilizaban, inicialmente,

para la fabricación de las palas se han visto desplazados por la utilización de plásticos y

resinas. La mayoría de las pequeñas maquinas eólicas usan materiales compuestos, tal

como fibra de vidrio y actualmente existe una tendencia clara al uso de epoxi

(generalmente resina de poliéster) reforzado de fibra de vidrio o de carbono, solo algún

fabricante usa madera. El aluminio, actualmente, no se utiliza ya que es un metal

propenso a la fatiga.

b) El buje.- Es el elemento al que se encuentran unidas las palas y a través del cual la

potencia eólica captada por el rotor se transmite a la caja multiplicadora o variador de

velocidad.

c) El eje.- Conecta el buje del rotor al generador. Este gira y permite el funcionamiento

del generador eléctrico. (Figura 5.2.2-45).

Figura 5.2.2-45. Rotor Tripala de un aerogenerador

5.2.3. Góndola

La góndola es el compartimiento en cuyo interior se encuentra el generador eléctrico, la

caja multiplicadora y los sistemas de control, regulación, orientación y frenado.

Generalmente está formado por una estructura metálica, construida con placa y perfiles

de acero, que se sitúa en el extremo superior de la torre. Véase (figura 5.2.3-46).

Figura 5.2.3-46. Representación de la góndola de un aerogenerador.

5.2.4 Generador.

La función del generador es transformar la energía mecánica procedente del rotor en

energía eléctrica.

Existen diferentes tipos de generadores:

a) Generador de Corriente Continua (Dínamos)

b) Generador de Corriente Alterna

Síncronos o Alternadores

- De polos formados por electroimanes alimentados por corriente continua

- De polos formados por imanes fijos o permanentes

Asíncronos o de Inducción

- De jaula de ardilla

- De rotor devanado

Las dínamos, generadores de corriente continua, son máquinas eléctricas sencillas que

tienen la ventaja de no necesitar sistemas especiales para cargar baterías y generan

corriente aún para bajas velocidades de giro. Sin embargo, su uso cada vez es menor, se

han ido reemplazando por los generadores de corriente alterna ya que presentan el

inconveniente de que necesitan un mantenimiento periódico y son más pesadas y caras

que los generadores de corriente alterna de igual potencia, aunque hay que tener en

cuenta que son idóneos para los aerogeneradores de muy pequeño tamaño (decenas de

vatios).

Los generadores síncronos o alternadores que existen son de velocidad variable, es decir

suministran corrientes de frecuencia variables. Por lo tanto, para conectarlos

directamente a la red de corriente alterna es preciso utilizar un convertidor de frecuencia

como elemento intermedio entre el generador y la red. Esta desventaja se compensa con

una mayor eficiencia de la maquina y una mejor compatibilidad con la red. (Figura

5.2.4-47).

Figura 5.2.4-47. Representación de la jaula de ardilla.

Principalmente, este tipo de generadores se usan en máquinas que alimentan

instalaciones autónomas, como en aplicaciones para iluminación, calefacción, etc., y la

mayoría utilizan alternadores de imán permanente ya que se trata de la configuración

más sencilla y robusta.

El generador asíncrono o de inducción se caracteriza porque usa corriente de la red

eléctrica para crear su campo magnético. En principio, este tipo de generador no es

capaz de operar sin la red. Sin embargo, sistemas electrónicos pueden engañar a los

generadores de inducción por medio de condensadores para cargar el campo,

permitiendo así a estos generadores ser utilizados en sistemas de potencias aislados.

Por ejemplo, las maquinas eólicas Vernet trabajan con generadores de inducción en

sistemas híbridos eólico diesel y para cargar baterías. (Véase la tabla 6).

VELOCIDADES DE UN GENERADOR SÍNCRONO (rpm)

numero de polos 50 Hz 60 Hz

2 3000 3600

4 1500 1800

6 1000 1200

8 750 900

10 600 720

12 500 600

Tabla 6. Velocidades de generador síncrono.

En general, el generador más utilizado en las pequeñas maquinas eólicas es el alternador

de imanes permanentes que parece ser el modelo ideal para el micro y el miniturbinas

eólicas. En los aerogeneradores de tamaño doméstico hay más diversidad. Por ejemplo,

la Bergey Windpower se decidió por los alternadores de imanes permanentes, pero la

Wind Turbine Industries usa un alternador convencional de arrollamientos, mientras que

la Vergnet emplea un generador de inducción, comercial. (Figura 5.2.4-48).

Figura 5.2.4-48. Funcionamiento de un generador de corriente alterna.

Dado que la red suministra corriente alterna, hay que

convertir la corriente alterna en corriente continua antes de

enviarla a las bobinas arrolladas a los electroimanes

del rotor. Los electroimanes del rotor están conectados a la

corriente mediante escobillas y anillos rodantes

en el árbol (eje) del generador.

5.2.5 Torre.

Las máquinas eólicas deben estar situadas sobre una estructura de soporte capaz de

aguantar el empuje del viento. Existen varios tipos de torres como los que se describen a

continuación (Figura 5.2.5-49).

a) Torres tubulares de acero.- En el caso de los grandes aerogeneradores generalmente

se utilizan torres tubulares de acero (Figura a), fabricadas en secciones de 20-30 metros

con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos "in situ". Las torres

son tronco-cónicas, es decir con un diámetro creciente hacia la base, con el fin de

aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material.

b) Torres de celosía.- Son fabricadas utilizando perfiles de acero soldados (Figura b). La

ventaja básica de las torres de celosía es su costo, puesto que para su fabricación se

requiere sólo la mitad de material que en una torre tubular. La principal desventaja de

este tipo de torres es su apariencia visual. En cualquier caso, por razones estéticas, las

torres de celosía han desaparecido prácticamente en los grandes aerogeneradores

modernos. Son muy comunes en la India, aunque se encuentran en otros países como

Alemania y EE.UU.

c) Torres de mástil tensado.- Muchos de los aerogeneradores pequeños están

construidos con delgadas torres de mástil sostenidas por cables tensores (Figura c). La

ventaja es el ahorro de peso y, por lo tanto, de costo. Las desventajas son el difícil

acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que las hace menos apropiadas para zonas

agrícolas. Las torres tubulares son las que ofrecen una vista más agradable, pero son las

más costosas y, a menos que estén articuladas para arriarlas, son también las que

ofrecen más dificultades a la hora de efectuar el mantenimiento de la turbina. Las torres

con tensores son las menos costosas.

d) Torres híbridas.- Algunas torres están hechas con diferentes combinaciones de las ya

mencionadas. Un ejemplo es la torre de tres patas Bonus 95 KW, de la que podría

decirse que es un híbrido entre una torre de celosía y una torre tensada con vientos

(Figura d).

Figura 5.2.5-49. Tipos de torre a) Tubular. b) Celosía. c) Tensada d)

Hibrida.

5.2.6 El anemómetro y la veleta.

Se usan para medir la velocidad y la dirección del viento. Las señales electrónicas del

anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para

conectar el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente 5 metros por

segundo. El ordenador parará el aerogenerador automáticamente si la velocidad del

viento excede de 25 metros por segundo. Las señales de la veleta son empleadas por el

controlador electrónico del aerogenerador para girar al aerogenerador en contra del

viento, utilizando el mecanismo de orientación. (Figura 5.2.6-

50).

Figura 5.2.6-50. Anemómetro y veleta.

5.3 Otros componentes de un sistema de energía eólica.

Además del aerogenerador para poner en marcha un pequeño sistema de energía eólica

es necesario un equipo adicional que está constituido por los siguientes componentes:

5.3.1 Sistemas de almacenamiento.

Batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al

dispositivo que almacena energía eléctrica usando procedimientos electroquímicos y

que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un

determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir,

un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad

previamente mediante lo que se denomina proceso de carga.

En sistemas que no se encuentran conectados a red generalmente se dispone de algún

sistema de almacenamiento con el objeto de disponer de la energía en periodos de

viento flojo o de calma.

Baterías: Actualmente, es el sistema más utilizado para almacenar la electricidad

generada por la maquina. Permite construir sistemas de muy pequeño tamaño,

adecuados para balizas, repetidores de señal, estaciones de recogidas de datos y puestos

de socorro remotos. Su rendimiento es del 60 % al 75 %. Se emplean baterías especiales

que permitan reducciones de su carga hasta el 60 % sin daños. Su vida en estas

condiciones es del orden de 5 a 7 años. No es adecuado para tamaños grandes por su

elevado costo y dificultades de mantenimiento.

Acumulación térmica: la energía extraída del viento se usa para calentar agua,

directamente por medio de un freno hidráulico o por calentamiento de resistencias

eléctricas tras la conversión a electricidad. El agua se almacena y el aprovechamiento

energético posterior sería solo adecuado si se requiere en forma calorífica.

Bombeo de agua: Durante períodos con exceso de producción de energía se puede usar

la energía eléctrica para bombear agua hasta un depósito elevado. Durante períodos de

viento insuficiente la carga podría alimentarse con una mini-central hidráulica cuyo

generador síncrono se conectaría en paralelo con el aerogenerador a través de un

sistema de protección y control adecuado. Este método proporciona una eficiencia de

energía eléctrica recuperada entre el 50 % y el 80 %. Es la solución que se encontró para

poder electrificar eólicamente la isla de El Hierro.

Generación de hidrógeno y pila de combustible: El exceso de electricidad producida

se utiliza para descomponer el agua en hidrogeno y oxígeno.

Volante de inercia: La energía se almacena en un volante capaz de girar a elevado

régimen en un recinto al vacío, que impida la resistencia aerodinámica. Es un sistema

conveniente para fluctuaciones fuertes en la energía eólica ya que es capaz de absorber

potencias instantáneas elevadas. Se obtiene rendimientos de recuperación muy altos, del

orden del 80 %.

Desalación del agua: En lugares donde coincida la demanda de agua potable con la

disponibilidad de energía eólica y su impacto ecológico sea aceptable, es posible

recurrir a emplear la energía sobrante en desalinizar agua, la cual es fácilmente

almacenable y proporciona una utilidad completa. (Figura 5.3.1-51).

Figura 5.3.1-51 Baterías y/o acumulador de almacenamiento de

energía. (12 volts).

5.3.2 Inversores.

Un inversor, también llamado ondulador, es un circuito utilizado para convertir

corriente continua en corriente alterna. La función de un inversor es cambiar un voltaje

de entrada de corriente directa a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con

la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores son

utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación

para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Los

inversores también son utilizados para convertir la corriente continua generada por los

paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc., en corriente alterna y de

esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas

aisladas.

Los inversores se utilizan para convertir la corriente continua (CC) generada por los

aerogeneradores eólicos, paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc., en

corriente alterna (CA) y de esta manera poder ser inyectada en la red eléctrica o usada

en instalaciones eléctricas aisladas. Se pueden diferenciar diferentes tipos de inversores:

Inversores de onda sinusoidal. Se utiliza en los sistemas que no están conectados a la

red.

Emplean la corriente continua de un sistema de almacenamiento con baterías y

producen una corriente alterna de onda sinusoidal similar a la de la red, aunque no

idéntica.

Inversores síncronos. Usan conmutadores RCS (Rectificador Controlado de Silicio) con

controles analógicos para señalizar cuando deben enviar pequeñas señales eléctricas a la

red, debidas a que necesitan la presencia de la red eléctrica para su funcionamiento. En

EE.UU., la Bergey Windpower y la Wind Turbine Industries fabrican maquinas con este

tipo de inversor.

Inversores auto-conmutados. Éstos pueden producir electricidad compatible con la red

usando su propio circuito interno, con controles IGBT (compuerta integrada con

transistores bipolares) y digitales, mejorando notablemente la fiabilidad y la calidad de

la potencia con respecto a los modelos sincronizados mediante la propia red. Estos

inversores usan exactamente la misma tecnología que los inversores de orden sinusoidal

vistos anteriormente.

En los nuevos sistemas, cuando la demanda eléctrica excede al suministro y las baterías

están cerca de la descarga total, el inversor automáticamente toma potencia de la red

hasta que éstas resultan recargadas, pero, cuando hay un exceso de generación con

respecto a la demanda y las baterías están totalmente cargadas, el inversor puede

también suministrar el exceso de potencia a la red. Incluso, si el sistema de potencia de

la red falla, por ejemplo durante una tormenta, el inversor y las baterías dan un

suministro de potencia interrumpido. El inversor automáticamente cambia a un sistema

aislado con baterías convencional. (Figura 5.3.2-52).

Figura 5.3.2-52. Inversor electrónico de CC/AC.

5.3.3 Rectificadores y cargadores de baterías.

Los rectificadores son opuestos a los inversores, convierten la energía de corriente

alterna en corriente continua.

Además, si el generador no dispone de una salida de la carga de la batería, un cargador

de batería es obligatorio. Algunos inversores pueden actuar como cargadores de

baterías.

5.3.4 Funcionamiento en conjunto.

El funcionamiento del aerogenerador; es el resultado de acoplar las descripciones

anteriormente descritas. Para un simple entendimiento, se explicará este proceso en

etapas. (Figura 5.3.4-53).

Figura 5.3.4-53. Funcionamiento general del aerogenerador.

5.4 Etapas.

1. La energía cinética que choca con las aspas del aerogenerador hace que las mismas

se muevan, proporcionando así la energía mecánica que será aprovechada (del rotor al

acoplamiento del generador). Esta etapa se basa en un mecanismo de control, que

mediante el sistema de orientación (veleta hace que el recurso eólico sea aprovechado

de manera eficiente.

2. La energía generada por el generador de imanes permanentes es de corriente alterna

y mediante un regulador de carga es cual es un equipo electrónico de potencia que

cambia la energía de corriente alterna en corriente continua además evita que el

generador dañe las baterías.

3. La energía producida por el aerogenerador es almacenada en un acumulador (batería

12 V, CD), misma que se mantiene en ella; Para su almacenamiento se puede utilizar un

banco de baterías en conexión estrella-delta, el cual ayuda a mantener más energía

almacenada.

4. Los inversores son utilizados, si se desea que esta energía sea transformada en

energía directa para almacenaje a través de bacterias. De lo contrario puede ser

conducida por medio de cables y estar a disposición. La energía eléctrica producida es a

110-127 V de (AC), lista para ser utilizada en el hogar.

5.5 Aplicaciones de los aerogeneradores de baja potencia.

Existen dos aplicaciones generales de utilizar la energía eléctrica generada a partir de

los aerogeneradores de baja potencia: instalaciones aisladas e instalaciones conectadas a

la red eléctrica.

5.5.1 Instalaciones aisladas a la red eléctrica.

Las pequeñas maquinas eólicas pueden ser fuente económica de electricidad para sitios

aislados. La aplicación más común de sistemas aislados es la electrificación de

viviendas rurales, para la cual existen diferentes configuraciones.

a) Sistemas individuales: Generalmente, cuentan con un pequeño aerogenerador, una o

más baterías para almacenar la energía generada y un regulador que controla la carga y

descarga de las baterías. Dependiendo de la aplicación, pueden incluir un inversor para

transformar la electricidad de corriente continua en alterna.

Los aerogeneradores de baja potencia se pueden utilizar sin conectar a la red eléctrica en

diferentes aplicaciones. Generalmente se utilizan para cargar baterías, suministrando

tanto corriente alterna como continua, con los modernos sistemas de control

electrónicos, pueden ser usados para mover bombas eléctricas directamente, sin emplear

baterías. Los pequeños aerogeneradores también se pueden emplear para la calefacción

de viviendas, etc. Por ejemplo, la Universidad de Massachussttes propuso un calentador

eólico a mediados de los años setenta, y varias compañías trataron de sacar este

proyecto al mercado. El concepto nunca tuvo acogida en Norteamérica porque no daba

beneficios económicos, pero si lo tuvo en Dinamarca, donde los precios de la

calefacción eran considerablemente altos. El Folkecenter for Renewable Energy de

Dinamarca demostró que una maquina eólica que cubre las demandas de la calefacción

en el invierno puede fácilmente cubrir las necesidades de agua caliente en verano.

Además de los usos tradicionales, miles de micro-maquinas son utilizadas en barcos.

Una de las primeras aplicaciones fue la alimentación de instalaciones remotas de

telecomunicaciones. Éstas eran habitualmente emplazadas en las cimas de inaccesibles

montañas, donde el suministro de combustible era difícil y caro.

b) Sistemas centralizados: Si las viviendas a electrificar se encuentran relativamente

próximas entre sí, la opción más apropiada puede ser un sistema eólico centralizado

debido a la concentración de equipos y energía, lo cual ofrece ventajas desde los puntos

de vista técnico y económico.

Un sistema eólico centralizado satisface la demanda energética de una comunidad con

electricidad producida, almacenada y transformada en un “sistema eólico central” y

luego se distribuye, a través de líneas eléctricas, hasta cada una de las viviendas y otros

sitios. Generalmente, este tipo de sistemas cuenta con más de una fuente de generación,

para lograr mayor confiabilidad del sistema.

c) Sistemas híbridos: Las pequeñas maquinas eólicas, como se comento anteriormente,

brindan una solución muy atractiva para la electrificación rural en muchos lugares, pero

muchas veces la fluctuación del viento hace que no se pueda obtener una producción de

electricidad de manera constante. Por esta razón, frecuentemente, se usa una maquina

eólica en combinación con otra fuente de generación: por ejemplo, paneles fotovoltaicos

o un generador eléctrico a base de diesel. Este tipo de sistemas se denominan “sistemas

híbridos”, y una de las mayores ventajas que presentan, con respecto a un sistema

individual, es que dan una mayor seguridad para la generación de energía eléctrica.

- Instalaciones híbridas eólico-fotovoltaicas:

La energía eólica y la fotovoltaica son complementarias.

Juntas, no sólo mejoran la fiabilidad de los sistemas aislados sino que también los hacen

más rentables que cuando operan separadamente.

Estas instalaciones suelen estar constituidas por un aerogenerador de pequeñas

dimensiones que, a través de un rectificador/regulador de carga, suministra la energía

producida a las baterías. En paralelo se encuentra un sistema de paneles fotovoltaicos,

uno o varios, que mediante su regulador de carga se conectan también a la batería. Las

dimensiones de cada uno de los equipos (aerogenerador y paneles) dependerán de las

características climatológicas así como de las características de la carga.

- Sistema eólico-diesel: En este tipo de instalación, el grupo diesel, interconectado a

través de su sistema de control, permite una gran flexibilidad en su régimen de

funcionamiento. El grupo diesel trabaja a plena carga cuando el viento está en calma o

en régimen variable apoyando la producción del aerogenerador por existir variación de

la velocidad del viento. Cuando el viento mantiene un régimen de velocidad

suficientemente alto, el grupo diesel está parado y la producción eléctrica es

suministrada solamente por el aerogenerador o mantiene su funcionamiento en

condiciones de regulación mientras dura el viento fuerte.

5.5.2 Instalaciones conectadas a la red eléctrica.

Si la legislación del sector eléctrico lo permite, existe la oportunidad de suministrar

energía a la red con pequeños sistemas eólicos. Esto es aplicable en los casos que exista

una red en las proximidades del centro de consumo. En este caso, la energía requerida

por el usuario sería suministrada por el sistema eólico y por la red eléctrica. Si el

aerogenerador produce energía en exceso, se entrega el excedente a la red eléctrica y, si

se produce menos energía de la requerida, se toma de la red.

El almacenamiento de la electricidad en baterías es opcional, pero su inclusión exige

dispositivos rectificadores de corriente alterna para la carga de las baterías e inversores

de corriente continua.

Dentro de los sistemas conectados a red empiezan a tener importancia los sistemas

híbridos Por ejemplo en España, la Agencia Energía de Barcelona (AEB) y la

Universidad Politécnica de Catalunya (UPC), firmaron, en Noviembre de 2007, un

convenio de colaboración para la construcción de una instalación mixta eólica-

fotovoltaica de conexión a la red en un edificio de 175 viviendas. Éste es un proyecto

pionero en el uso de energías renovables que se realiza como sustitución de una

instalación solar térmica para la producción de agua caliente sanitaria. El proyecto

piloto consiste en una instalación de al menos 3 aerogeneradores verticales de 2.5 Kw

de potencia cada uno y un sistema de energía fotovoltaica de conexión a la red de 34.3

KW. Se estima que la central eólica-fotovoltaica producirá anualmente unos 52 200

kWh, es decir, el equivalente al consumo energético total, no sólo para calentar agua, de

unas 24 viviendas de 80 m², y permitirá una ahorro de 5.5 toneladas de emisiones de

CO2 a la atmósfera cada año. (Figura 5.5.2-54).

Figura 5.5.2-54. Instalación conectada a la red eléctrica.

5.5.3 Energía eólica en el entorno urbano.

Actualmente, se está produciendo un gran interés por la introducción de la energía

eólica en el entorno urbano y se están desarrollando un nuevo tipo de maquinas eólicas,

llamadas Maquinas Urbanas (TU).

La integración de muchos pequeños molinos en el paisaje urbano incrementan

notablemente la cobertura eólica, a la vez que quedan disimulados por el paisaje y no

ocupan terrenos de cultivo ni se entrometen en el paisaje.

Una de las características fundamentales de estas TU es su capacidad para acercar

físicamente la producción de electricidad al usuario final, de modo que ofrece al

consumidor la posibilidad de generar su propia electricidad. Sin embargo, esta

tecnología aún no está muy desarrollada ya que la investigación no le dedica, los

mismos recursos que a sus hermanos mayores.

Además, los vientos de ciudad no son los mejores para conseguir una gran eficiencia

energética con aerogeneradores clásicos de eje horizontal, la velocidad media del viento

en la ciudad es menor que en las áreas rurales y esa velocidad no es constante, sino que

cambia rápida y frecuentemente, del mismo modo que lo hace la dirección; las

corrientes tienen un componente vertical y se producen efectos de concentración al lado

de los edificios más altos. Y por otro lado, hay que tener en cuenta las turbulencias, que

obligan a la maquina a girar a velocidades variables y a modificar frecuentemente su

orientación para seguir la dirección del viento.

El pequeño aerogenerador urbano se puede decir que se encuentra en el mercado en una

fase de desarrollo anterior a la de los grandes aerogeneradores. Parece ser que los

aerogeneradores de eje vertical son los más adecuados para las aplicaciones en el

entorno urbano, ya que tienen como ventaja la capacidad para funcionar con vientos

turbulentos cerca de la tierra, lo que les hace adecuados para la instalación cerca de los

edificios o en los tejados. Además, la velocidad de rotación en este tipo de

aerogeneradores es relativamente lenta, lo que hace que sean más silenciosos.

CAPÍTULO VI: TIPO DE INVESTIGACIÓN:

6.1 Tipo de investigación.

Esta investigación será de tipo documental básica, ya que se debe estudiar a fondo la

estructura y el funcionamiento del aerogenerador para la generación de energía

eléctrica y para obtener las bases de su construcción, también de campo ya que se

pretende generar un estudio de factibilidad y así obtener los datos necesarios para su

implementación, lo que será una propuesta de generación de energía eléctrica.

6.1.1 Investigación básica:

Trabajo experimental o teórico realizado principalmente para generar nuevos

conocimientos sobre los fundamentos de fenómenos y hechos observables, sin prever

ninguna aplicación específica inmediata.

6.1.2 Investigación de campo:

Trabajo original realizado para la adquisición de nuevos conocimientos, pero dirigido

principalmente al logro de un fin u objetivo práctico, determinado y específico.

CAPÍTULO VII: HIPÓTESIS Y VARIABLES.

7.1 Hipótesis:

¨Es posible, generar energía eléctrica por medio de un aerogenerador, para utilizarse en

zonas donde no se cuenta con la red eléctrica”.

7.2 Variables que integran la hipótesis:

7.2.1 Variable independiente:

El viento: su intensidad y su velocidad

Las corrientes del aire que existen en la zona donde se desea implementar.

La calidad del aerogenerador define la calidad eléctrica.

Densidad del aire.

7.2.2 Variables dependientes:

Área por donde pasa el viento (rotor).

La altura a la que se instala el aerogenerador.

El tamaño del aerogenerador.

CAPÍTULO VIII: OBJETIVOS.

8.1 Objetivo general.

Determinar con una investigación documental la factibilidad para la implementación de

aerogeneradores en nuestro hogar; en zonas desconectadas de la red eléctrica

8.2 Objetivos específicos.

1. Realizar un estudio detallado de las características, costos e instalación de los

diferentes tipos de aerogeneradores, y determinar el más idóneo para el

proyecto.

2. Determinar si las condiciones geográficas y atmosféricas de este sector son las

favorables para poner en funcionamiento el aerogenerador de baja potencia 100

W (nominales).

3. Aportar el mejoramiento de la calidad de vida de estas personas atreves de la

tecnología utilizada.

4. Instalación y caracterización del aerogenerador investigado de 100 W

(nominales), con acumulador e inversor, además establecer el diagrama unifilar

que se pretende implementar.

5. El diseño y su construcción del aerogenerador que se pretende instalar, de 100

W (nominales) para su factibilidad e implementación en nuestro hogar.

CAPÍTULO IX: METODOLOGÍA A UTILIZAR

9.1 Proceso de metodología para el diseño.

Como se ha comentado a lo largo de la investigación, la cual va encaminada a estudiar

la factibilidad de implementación en nuestro hogar, un aerogenerador. Se decidió llevar

a cabo esta tarea en forma teórica con la búsqueda de elegir el más idóneo, en su forma

de construcción del prototipo de baja potencia (100 Watts nominales).

Los factores a tener en cuenta son:

Instalación aislada.

Magnitud del tamaño de la instalación para satisfacer las necesidades.

Potencia máxima a instalar.

Realizar el estudio de factibilidad y vialidad energética.

Elegir el la metodología para el diseño del aerogenerador acorde a las

necesidades cotidianas.

9.1.1 Localización de Las Peñas.

Las Peñas se localiza en el Municipio Lázaro Cárdenas del Estado de Michoacán de

Ocampo México y se encuentra en las coordenadas:

Longitud (-102º 30' 6.0006") NORTE.

Latitud (18º 1' 14.9982") ESTE.

La localidad se encuentra a una mediana altura de 20 metros sobre el nivel del mar.

Población en Las Peñas

La población total de Las Peñas Michoacán es de 462 personas, de cuales 225 (48.70%)

son masculinos y 237 (51.30%) son femeninas.

Edades de los ciudadanos

Los ciudadanos se dividen en 237 menores de edad y 225 adultos.

Estructura social

Derecho a atención médica por el seguro social, tienen 200 habitantes de Las Peñas.

Estructura económica

El 76.62% de los habitantes mayores de 5 años son católicos, estando casada o unida en

pareja el 57.86% de la población mayor de 12 años.

El grado medio de escolaridad en Las Peñas es de 4.74, la media en el municipio es de

7.39, en el estado de 6.20, mientras el numero sea más alto indica una población con

mayor formación académica. Para obtener este número se suman los años aprobados

desde primero de primaria hasta el último año que cursó cada habitante; posteriormente,

se divide entre el número de habitantes de la localidad.

La población económicamente activa en la localidad de Las Peñas es de 122 (26.41% de

la población total) personas, las que están ocupadas se reparten por sectores de la

siguiente forma:

Sector Primario: 65 (54.62%)  (Municipio: 6.96%, Estado:

24.34%) Agricultura, Explotación forestal, Ganadería, Minería, Pesca ...

Sector Secundario: 8 (6.72%) (Municipio: 33.42%, Estado: 52%) Construcción,

Electricidad, gas y agua, Industria Manufacturera.

Sector Terciario: 46 (38.66%)  (Municipio: 59.62%, Estado: 50.13%)

Comercio, Servicios, Transportes.

Nivel de ingresos de la localidad de Las Peñas (número de personas y % sobre el total

de trabajadores en cada tramo):

0 Salarios mínimos (sin ingresos): 18 (15.25%)

de 1 Salario mínimo: 15 (12.71%)

1-2 Salarios mínimos: 45 (38.14%)

2-5 Salarios mínimos: 35 (29.66%)

5-10 Salarios mínimos: 3 (2.54%)

10+ Salarios mínimos: 2 (1.69%)

En Las Peñas hay un total de 86 hogares, el 0% de las cuales están rentadas por su

moradores.

De estas 86 viviendas, 4 tienen piso de tierra y unos 5 consisten de una sola habitación,

68 de todas las viviendas tienen instalaciones sanitarias, 45 son conectadas al servicio

público, 44 tienen acceso a la luz eléctrica.

La estructura económica permite a 24 viviendas tener una computadora, a 30 tener una

lavadora y 41 tienen una televisión.

Figura 9.1.1-55. Localización del lugar de estudio.

El clima es Cálido sub-húmedo con temperatura media de 26 ºC, temperatura máxima

de 36 ºC y temperatura mínima de 12 ºC. Vientos predominantes del SW (Suroeste) a

190º y a veces se invierte a 10º NE (Noreste). Por las noches se presenta mayor

actividad y por las tardes. Ya que el lugar por su geografía presenta una velocidad del

viento muy buena para nuestra generación de energía. Mismo que se encuentra al nivel

del mar como se muestra en la siguiente figura 9.1.1-56.

Figura 9.1.1-56. Nivel del lugar respecto al sitio de estudio.

9.1.2 Estudio de potencial eólico.

En las siguientes Tabla 7. Se muestra el mapa recopilado sobre la velocidad del viento,

cuyos valores se presentan en las siguientes tablas y se deben considerar teniendo en

cuenta las características de rugosidad del terreno en Las Peñas Michoacán ya que allí

es donde se desea implementar el aerogenerador.

ESTACION METEOROLOGICA

DE LÁZARO CÁRDENAS MICH.

VELOCIDAD (M/S) Y DIRECCION DEL VIENTO A 10 METROS DE ALTURA.

MEDIANORMA

L MINIMA MAXIMA

DIRECCIÓN

RECORD HÍSTORICO

ENERO 6.1 6.4 3.1 15.1 NE 18.9FEBRERO 5.5 9.0 4.2 13.2 SW 20.5MARZO 6.9 5.9 2.9 12.6 NE 17.3ABRIL 6.5 8.5 4.5 14.9 NE 16.4MAYO 6.0 9.3 3.6 14.7 SW 17.5JUNIO 5.2 6.2 3.2 13.6 SW 17.6JULIO 6.9 7.9 4.4 15.2 SW 19.5AGOSTO 6.3 7.3 3.0 10.6 NE 18.0SEPTIEMBRE 6.5 8.1 3.6 9.8 SW 16.8OCTUBRE 6.8 7.5 3.8 8.4 SW 17.9NOVIEMBRE 6.0 8.4 3.9 9.6 NE 19.3DICIEMBRE 6.7 9.6 3.5 9.3 SW 20.1

Tabla 7. Vientos dominantes en la estación meteorológica Melchor Ocampo.

9.1.3 Descripción del aerogenerador:

El tipo de aerogenerador que se trata en este proyecto de investigación ha sido de

diseñado propuesto, para hogares familiares en zonas de vientos moderados sin acceso

a la red eléctrica. Está pensado para construcción local, y ha sido diseñado para ser lo

más barato posible.

Los rasgos básicos son comunes a muchos pequeños aerogeneradores, pero hay algunas

ideas originales en el diseño. El aparato eólico se compone de: el generador, el rotor

eólico (las palas), la montura del aerogenerador y la cola (formando ambos el

mecanismo de cola de veleta) y la estructura que soporte el esfuerzo del peso de todo el

conjunto y el momento flector derivado del empuje del viento sobre las palas.

El generador de imanes permanentes (PMG). Que establece la “Intermediated

Technology Development Group” para elaborar un aerogenerador casero. Él

aerogenerador de ITDG se muestra desensamblado del Buje, Discos magnéticos y

Bobinas, en la Figura. 9.1.3-57a-58b.

Figura. 9.1.3- 57a. El pequeño generador PMG de ITDG.

Figura. 9.1.3- 58b. El pequeño generador PMG de ITDG.

Los dos discos del rotor están montados sobre un eje de cojinetes gracias a un buje, para

que puedan rotar sobre el eje. Los rotores magnéticos están conducidos directamente

por las palas del aerogenerador.

Casi cada pequeño aerogenerador del mercado utiliza un PMG (Permanent Magnet

Generator). Están diseñados especialmente con el propósito de extraer potencia del giro

lento de las palas con la mejor eficiencia, el mínimo costo y la mínima complejidad.

Entre los dos discos del rotor hay un estator, encastado con resina plástica, que contiene

las bobinas de alambre de cobre. Muchos otros PMG’s utilizan núcleo de acero

laminado para el estator. El PMG de ITDG se construye utilizando en lo posible,

materiales disponibles propios. La electricidad se genera por el giro de los imanes de los

discos magnéticos al girar a uno y otro lado de las bobinas encastadas en el estator.

El campo magnético induce tensión en las bobinas, tensión que ha de permitir alimentar

una batería. A velocidades de giro bajas la tensión es insuficiente para cargar la batería,

pero cuando se alcanza un cierto umbral en la velocidad del viento, se establece una

corriente eléctrica que permitirá la carga de la batería.

El generador produce corriente alterna AC, las bobinas están dispuestas en tres fases

para hacer más eficiente el uso del espacio disponible y que, a la salida del rectificador

la tensión de la corriente continua sea lo más lisa posible. A continuación se describen

más detalladamente la composición y funcionalidad de cada elemento componente del

generador.

9.2 Estator.

El estator en sí mismo consiste en un elemento circular sólido (ver Figura. 9.2-59) que

contiene seis bobinas equidistantes en su interior. Es fruto de un encastamiento de resina

con catalizador y talco, en moldes de madera.

Para reforzar el encasta-miento, el estator contiene incrustadas tiras rectangulares y

circulares de fibra de vidrio en la resina, de manera que la fibra de vidrio con resina en

su interior, rodea al encasta-miento de bobinas.

El estator tiene forma de anillo, de tal modo que todas las bobinas distan de su centro al

centro del estator unos 125 mm.

Figura. 9.2-59 Encastamiento del estator con fibra de vidrio.

9.2.1 Las bobinas.

Cada una de las bobinas consiste en un enrollado de 100 vueltas de hilo de cobre

esmaltado de diámetro 1,5 mm, de dimensiones 110 x 110 mm (forma aproximada de

cuadrado), un agujero cuadrado interior de 50 x 50 mm y un espesor de 13 mm. Es

importante que sea cobre con capa de esmalte que aísle cada espira (vuelta) de la bobina

y el fenómeno de inducción magnética sea óptimo. (Ver figura 9.2.1-60).

Figura 9.2.1-60 bobina del aerogenerador.

9.3 Rotores magnéticos.

El rotor (cualquiera de los dos) del aerogenerador consiste fundamentalmente en un

disco de acero al que se le pegan 8 imanes de Neodimio (NdFeB) equidistantes,

encargados de crear la variación de campo magnético al girar solidarios al rotor (ver

Figura. 9.3-61). Para que el disco y los imanes formen una sola estructura, se crea un

encastamiento de resina que pegue y a la vez contenga a los imanes en el disco de acero

y finalmente se refuerza este encastamiento con tiras de fibra de vidrio en el interior y

con alambre de acero inoxidable alrededor para evitar que se desenganchen los imanes

debido a la fuerza centrífuga que tendrán que soportar.

Los dos rotores se diferencian en la colocación de los imanes como se verá más

adelante, quitando esta excepción, son exactamente iguales.

Figura. 9.3-61 Imanes permanentes de Neodimio.

9.3.1 Los imanes.

Los 8 imanes o bloques magnéticos que lleva cada rotor, son bloques de Neodimio

(NdFeB) premagnetizados, van colocados planos sobre el disco de acero. Cada imán

tiene un polo norte y un polo sur. La polaridad de un imán está distribuida tal como se

indica en la Figura. 9.3.1-62. Y en cada disco magnético está distribuida de manera

diferente. Colocación de los imanes:

Figura. 9.3.1-62. Los dos rotores son diferentes.

9.3.2 El disco de acero.

Cada rotor magnético está constituido por un disco de acero de 305 mm de diámetro, de

6 mm de grosor, y un agujero central de 65 mm de diámetro.

Es importante el hecho de que éste disco, encargado de sujetar los imanes, no esté hecho

de aluminio o acero inoxidable sino de acero normal (material magnético). (Ver figura

9.3.2-63).

Figura 9.3.2-63 discos de acero.

9.3.3 El alambre de acero inoxidable.

La fuerza centrífuga debida al giro del generador puede expulsar los imanes del encasta-

miento. Tal como se indica en el manual de construcción del generador, la resina (que

no es suficiente para sostener los imanes) se refuerza con alambre, que se enrolla

alrededor del exterior de los rotores magnéticos para sujetar los imanes dentro del

encastamiento. Para evitar fugas magnéticas se utiliza acero inoxidable.

9.4 El buje.

Para la sujeción del generador a la estructura principal, y mantener el movimiento de

rotación, se utiliza un buje. Este proyecto, se ha realizado con el buje del eje trasero, por

tanto el diseño de los agujeros del rotor y de los elementos de ensamblaje del conjunto

(tuercas, tornillos, varilla roscada) se han tenido en cuenta a partir de conocer el buje.

Un parámetro importante de este buje es que en su collarín tenga 4 agujeros de diámetro

10mm equidistantes sobre un diámetro de 102mm (ver la Figura. 9.4-64). El buje encaja

sobre el eje por medio de dos cojinetes cónicos que vienen ya incorporados, uno más

grande en la parte inferior del eje y otro menor en la parte superior, que permiten el

movimiento libre de giro del buje con los rotores incorporados sobre el eje.

Figura. 9.4-64. Dimensiones características de un buje de la rueda.

Además de disponer de estos cojinetes, el buje también incorpora: el propio eje y una

tuerca M15, una cupillo que sirve de pasador de cierre y un guardapolvo para no dejar

entrar suciedad a los cojinetes.

9.5 El eje.

El eje del Generador, es un elemento fundamental del conjunto del generador ya que

sobre el eje va montado el buje y sobre éste los dos rotores. El eje es la pieza de acero

que se observa en la Figura. 9.5-65. Esta pieza se ajusta a la montura del buje

permitiendo que ésta sea el soporte del generador y a la vez permita el giro del buje (con

los rotores) montado al eje sobre cojinetes que permiten el giro del buje.

No hace falta construir el eje, ya que viene incorporado al buje, de manera que al

disponer de un buje, ya se dispone de su eje correspondiente de acero, perfectamente

conformado como se observa en la siguiente figura:

Figura. 9.5-65: Eje de un buje.

9.6 El rotor eólico.

Los rotores modernos de aerogeneradores generalmente tienen dos o tres palas. Un gran

número de palas creará más fuerza de giro, pero no sería capaz de hacer girar el PMG lo

suficientemente rápido para generar la tensión requerida, porque giraría más lento.

Las palas del rotor y el PMG está diseñado muy cuidadosamente para combinar la

velocidad y la potencia, para extraer el máximo de energía del viento. (Ver figura 9.6-

66).

Figura 9.6-66. Rotor eólico de 2.4 m de diámetro, con 3 palas.

Si el PMG no está conectado a una batería o a otra carga eléctrica, entonces las palas se

sobreacelerarán. La máquina empezará a hacer ruidos y puede que vibre tanto que las

partes se separen y caigan al suelo. Para evitar este tipo de problema, son importantes

los siguientes aspectos:

- Mantener conectado el aerogenerador a una carga siempre.

- El aerogenerador debe tener un sistema de orientación (o viraje) para vientos elevados.

- Las palas deben estar precisamente equilibradas para que funcionen con suavidad.

Dos posibles diseños para el rotor eólico:

Figura. 9.6-67. Perfiles de palas.

A velocidades del viento de 5 m/s, los rotores eólicos producirán 80 y 60 W de potencia

Mecánica respectivamente para unas velocidades de giro de 286 y 380 rpm

respectivamente. Este punto está marcado en cada curva. La velocidad del rotor eólico

depende de cómo este cargado. Si el PMG está desconectado de la batería, el rotor

estará descargado y girará mucho más rápido. Hay que intentar evitar que gire el rotor

descargado, porque es ruidoso y estresante, ver tabla 8.

Perfil de la pala NACA 4412 K2

Diámetro 2,4 metros 2,0 metros

Ratio máximo de velocidad exterior 5 6

Numero de palas 3 2

Tabla 8. Características de las palas.

9.7 Las palas

9.7.1 Dimensiones características del perfil de la pala.

Las dimensiones características de una pala están definidas según estaciones. Cada

estación constituye una sección transversal de la pala (ver Fig. 9.7.1-68), y lleva

asociada un número (número de la estación). Así se consigue caracterizar una pala sólo

con determinar las dimensiones características de un número acotado de estaciones

(secciones):

• El radio local, el cual es la distancia de la estación al centro del rotor.

• La anchura de cuerda, que es la anchura de la pala de un extremo al otro en una

estación determinada. La línea de cuerda es la línea más larga dentro de la sección de la

pala, y es la que une el borde principal o de ataque con el borde posterior o de fuga.

• El ángulo de la pala (beta), que es el ángulo entre la línea de cuerda de una estación

determinada y el plano sobre el que gira el rotor.

Figura 9.7.1-68. Dimensiones de las palas del aerogenerador 100

Watts.

Por último hay que decir, que el extremo de la pala más próximo al centro del rotor en

la raíz, la forma de la pala debe cambiar con suavidad de sección de un ala a una forma

que permita el ensamblaje sobre el rotor del generador, esto se verá posteriormente.

Se definió por medio de la investigación los siguientes parámetros:

Velocidad de viento nominal A partir del estudio teórico de los aerogeneradores los

cuales a velocidades menores de 3 m/s no generan energía, por lo cual se tomo la

velocidad de 6.1 m/s, valor adecuado para pequeños aerogeneradores en aplicaciones

aisladas (no conectadas a la red de suministro eléctrica) o medio de emergencia en los

hogares.

Velocidad de rotación nominal: Se determino un valor de 360 rpm, que es un valor

razonable para un adecuado acople directo con el generador eléctrico, pero que está

limitado debido a que valores mayores tendrían como consecuencia un diseño de palas

con muy poca resistencia estructural.

Numero de palas: Se eligió implementar una hélice de 3 palas.

Ya que un número mayor tendría un costo demasiado elevado comparado con la poca

ganancia en eficiencia.

Los otros valores posibles, 1 o 2 palas, fueron descartados porque, si bien se ahorra

considerablemente en costo, tienen mayores problemas de alineación, balanceo y

vibraciones.

9.7.2 El extremo raíz.

El extremo raíz es idéntico en cada pala y es necesario para ajustar cada pala al rotor del

generador. Es por eso que las palas tienen dos partes, una primera que es perfil de “ala”

de la pala que es la parte que capta la energía eólica, y una segunda parte en el extremo

grueso donde se produce una suave transición entre el final del perfil de ala hacia la

forma del extremo raíz.

Este extremo raíz, no incluido en la longitud de la pala, consiste en un bloque de

madera (extremo de la misma pieza que el resto de la pala, figura 9.7.2-69) que tiene las

dimensiones indicadas:

Figura 9.7.2-69. Extremo raíz de una pala.

En primer paso fue elegir el perfil de aspa a utilizar. Se eligió un perfil NACA 4212 y

K2. Los cuales tienen buen comportamiento estructural y aerodinámico, debido a la

forma que presentan cóncavo-convexa.

Ha sido utilizada con éxito en otros aerogeneradores, entre ellos el ITDG Perú, y el

proyecto de Sry Lanka (Reino Unido) por Hugo Piggot. En la siguiente figura 9.7.2-70

se muestra el diseño de las palas.

Figura 9.7.2-70. Parámetros característicos de la pala.

En la siguiente Figura 9.7.2-71 se muestra como queda el diseño del aerogenerador de

100 Watts.

Figura 9.7.2-71. Palas del aerogenerador terminadas.

9.7.3 Resistencia de las palas.

Es posible calcular si las tensiones en la superficie de la madera son seguras o no. Se

necesita tener un margen de seguridad para tener en cuenta eventos inesperados y la

propia fatiga. Los principales esfuerzos en las palas de una pequeña maquina eólica se

presentan como fuerzas centrífugas.

La fuerza centrífuga en las palas, cuando éstas están girando a velocidad máxima

(aproximadamente 500 rpm) será aproximadamente 100 veces el peso de la pala. Si la

pala pesa 0,78 kg, entonces, la fuerza centrífuga estará sobre 0,8 kN (equivalente a 80

kg de peso) a esta velocidad.

A 1000 rpm la fuerza será equivalente a 320 kg. Esta velocidad podría presentarse si el

sistema de giro de la cola no trabaja correctamente.

Estos esfuerzos debidos a la fuerza centrífuga suponen a la pala un esfuerzo de tracción

axial que en el caso más desfavorable de 1000 rpm supone un esfuerzo de 3136 N (320

kp), por tanto la sección media de la pala (que se deduce observando los cálculos

realizados, es de 11,575 cm²) soporta tensiones de 2,7 MPa.

Un valor aproximadamente la mitad de la tensión que soporta la madera de pino a

tracción axial (entre 5 y 6 MPa), el viento realiza una fuerza de empuje en cada pala, de

50-100N (5-10 kg).

La fuerza de empuje supone un esfuerzo de flexión sobre la pala, de manera que la

tensión que se alcanza teniendo en cuenta la sección media de la pala será de 0,09 MPa

mientras que la tensión de flexión paralela que puede soportar la madera de pino es del

orden de 9 MPa.

9.8 Los discos del rotor.

Las palas no van ensambladas directamente sobre la parte frontal del rotor de imanes,

porque las fuerzas de inercia de las palas crearían tensión en el rotor de imanes y harían

que los imanes golpearan al estator.

Para evitar esto, se ensamblan las palas al generador con la ayuda de 2 discos de madera

que hacen un “sándwich” con las palas.

Figura. 9.8-72. Uno de los discos del rotor eólico.

Los dos discos conteniendo las 3 palas ajustadas a ellos a 120 º cada pala (ver Figura.

9.8-73), se ajustan directamente sobre los Clavos del Rotor que sobresalen por la parte

frontal del rotor frontal.

Figura. 9.8-73. Posición de las palas sobre un disco del rotor eólico.

9.9 La montura del aerogenerador.

La montura del aerogenerador es una pieza de acero sobre la cual va montado el

generador con el rotor eólico incluido por un lado, quedando fijado el estator y

permitiendo el giro de los rotores. Por otro lado, la montura tiene la parte interior de la

bisagra de cola que forma parte del mecanismo de orientación y viraje del

aerogenerador; sobre esta parte interior de la bisagra de cola que es un saliente de la

montura, va montada la cola del aerogenerador con la veleta. La veleta es la encargada

de llevar a cabo el sistema de protección de sobre-velocidad. El mecanismo empleado

será un mecanismo de viraje tanto del generador como bloque solidario a la montura de

éste, como de viraje de la cola; funciona aprovechando el equilibrio entre la fuerza de

empuje del viento (por un lado sobre las palas y por otro sobre la veleta de la cola) y la

fuerza de la gravedad que supone el peso de la cola.

La montura del aerogenerador comprende varios elementos (ver Figura. 9.9-74). Estos

elementos son: la montura del buje, los soportes del estator, el tubo de viraje (con su

tapa) y la parte interna de la bisagra de la cola.

Figura. 9.9-74. Montura del aerogenerador.

Todos estos elementos que forman la montura van soldados. La montura del buje lleva

soldados en sus extremos los soportes del estator. Además el tubo de viraje lleva

soldada la parte interior de la bisagra de cola y estos dos elementos (tubo y bisagra

interna) van soldados en un extremo de la montura del buje consiguiendo una única

pieza sólida preparada para encajar todos los elementos comentados en el primer

párrafo.

9.9.1 La Montura del buje.

La montura del buje es la pieza formada por dos ángulos de acero (100 mm de longitud

y una ala de 50x50 mm y 6 mm de espesor) que van soldados formando un bloque

donde se ajusta el eje atornillado en los agujeros de la Figura. 9.9.1-75:

Figura. 9.9.1-75. Montura del buje, como unión de dos ángulos.

Al ir soldado en un extremo el tubo de viraje tiene unos cortes circulares (ver Figura.

9.9.1-76).

Figura. 9.9.1-76. Forma final de la montura del buje.

Pero como se observa, los cortes no están hechos a la misma distancia, consiguiendo

con los cortes que al montar la montura del buje con el tubo de viraje vertical, se

consiga obtener el ángulo β de 4 grados (ver Figura. 9.9.1-77) de inclinación de la

montura del buje respecto la vertical para dejar un mayor margen entre los extremos de

las palas y la torre.

Figura 9.9.1-77. Unión con ángulo α de la montura del buje al tubo de

viraje con la bisagra ya incluida.

9.9.2 Soportes del estator.

Los soportes del estator son dos piezas de acero con forma de ángulo (igual que las

piezas anteriores pero difiriendo la longitud). Se trata de dos piezas de 100 mm de

longitud, un espesor de 6 mm y un ala de 50 x 50 mm. Estos soportes van soldados a la

montura del buje (ver Figura. 9.9-74) y su función es hacer de soportes del estator, de

manera que estos soportes disponen de agujeros para que pasen a través de ellos los

clavos del estator y se ajuste éste a la montura del aerogenerador.

9.9.3 Tubo de viraje.

El tubo de viraje es la pieza central del aerogenerador, ya que se encaja sobre la torre, y

aguanta por un lado toda la montura del buje con el generador y las palas, y por otro

lado aguanta la bisagra interior de la cola y toda la cola con la veleta. Consiste en una

pieza tubular de 300 mm de longitud con un diámetro exterior de 60,3 mm y un espesor

de 3 mm. El tubo de viraje lleva incorporada una tapa que tiene como función evitar que

entre suciedad en el interior del tubo de viraje, y por tanto en el interior de la torre y

además para guiar el cableado que viene del generador hacia el interior del tubo y por

tanto hacia el interior de la torre que sirve de guía del cableado hasta el suelo.

9.9.4 Parte interna de la bisagra de la cola.

La bisagra de la cola, como se comenta en la lista de materiales, sirve como elemento de

unión del aerogenerador (ya que la bisagra se suelda al tubo de viraje) con la cola de la

veleta. La parte interna de esta bisagra está formada por la unión por soldadura de dos

piezas obteniendo la pieza mostrada en la Figura. 9.9.4-78.

Figura. 9.9.4-78. Parte interna de la bisagra de la cola.

9.10 Cola del aerogenerador.

La cola de veleta se usa para encarar la máquina en el viento.

Forma parte de un mecanismo que hace girar el generador y las palas fuera de toda la

fuerza del viento, girando toda la máquina sobre un cojinete (que no es otra cosa que el

tubo de viraje) en el extremo superior de la torre.

Un mecanismo simple en la cola de veleta (bisagra de la cola) aprovechando la

gravedad mantiene el generador y las palas encarando al viento cuando el viento es

moderado, pero se gira de lado con vientos muy fuertes.

El sistema es esencial para proteger las palas de sobre-aceleraciones y el PMG de

estropearse.

Hay varios mecanismos similares que pueden utilizarse para orientar la máquina de este

modo.

9.10.1 La Cola.

La cola se compone fundamentalmente de dos piezas tubulares soldadas (ver Figura

9.10.1-79). La primera de ellas es el tubo exterior de la bisagra de la cola, y encaja con

libertad de giro sobre el tubo interior de la bisagra.

La segunda es la botavara del aerogenerador, tiene un corte en un extremo para ir

soldado correctamente a la parte exterior de la bisagra y un corte en el otro extremo para

ir soldado a una pequeña barra de acero que sujete la veleta.

Figura 9.10.1-79. Unión de la

botavara al tubo exterior de la

bisagra.

9.10.2 Veleta.

La veleta, consiste en una pieza de madera

contrachapada de 10 mm de grosor con la forma mostrada en la Figura 9.10.2-80, que se

asemeja a un trapecio regular.

Va montada sobre la botavara con tres tornillos, uno de ellos directamente une la veleta

a la botavara y los otros dos unen la veleta a una pequeña barra de acero que va soldada

al extremo preparado para ello de la botavara.

Figura 9.10.2-80. Forma de la veleta y posición de los agujeros.

El viento actúa sobre su superficie consiguiendo que esté siempre prácticamente

orientada en la dirección del viento.

9.11 La estructura (Torre).

El diseño escogido ha sido el de torre tubular con tensores abatible, no sólo por

cuestiones estéticas sino también por las ventajas que reporta en temas de seguridad y

facilidad de montaje.

El sistema de torre para mini-aerogenerador ofrece el mejor compromiso entre el precio,

la factibilidad y la facilidad de instalación.

El sistema se basa en una torre flotante y tornillos de anclaje, no siendo necesario

excavaciones ni bases de hormigón. Cada sistema de torre incluye los cables, los

tornillos de anclaje y la barra de izaje (la torre propiamente dicha).

Figura 9.11-81. Torre con cables y tensores.

La torre eleva al generador, las palas y la cola de veleta a una altura donde el viento es

más fuerte y tranquilo que a nivel del suelo. La torre de este aerogenerador mide 10 m

de alto, tiene un diámetro exterior de 54 mm y un espesor de 4 mm.

La altura es la necesaria para estar por encima de todos los obstáculos de los

alrededores. Los árboles afectarán al viento a una altura casi el doble que la propia (de

árboles), pero consideraciones prácticas como el costo, la seguridad y el mantenimiento

limitan la altura.

Figura 9.11-82. Elevación de la torre.

Las torres más simples, como es nuestro caso, son de tuberías de acero, puestas

verticalmente por dos o tres cuerdas tirantes. Los tirantes son anclados en el suelo

firmemente, pero la base de la torre es generalmente de bisagra para permitir bajar el

generador para mantenimiento o reparación.

Para simplificar las tareas de instalación, ensayos y reparaciones (evitando las

dificultades de acceder al aerogenerador desde la base de la torre) se propone el diseño

de un sistema que permita rebatirlo, pivotando la estructura en un punto de apoyo más

bajo. De esta manera se alcanza al aerogenerador sin necesidad de trabajar en altura.

Figura 9.11-83.

Punto bisagra

Figura 9.11-83 Soporte de la torre para nuestro aerogenerador.

9.12 Sistema de control.

La energía captada por un aerogenerador varía con el cubo de la velocidad del viento,

por lo que un dispositivo eólico que capta 100 W de potencia. En el ejemplo anterior

pone en evidencia la necesidad de implementar un sistema de control para evitar que

esto suceda, debido a las cargas mecánicas excesivas que dañan el aparato. Siendo la

seguridad otro aspecto importante en el análisis de factibilidad del proyecto. El sistema

de control, el mismo debe ser:

Simple.

Con baja probabilidad de falla.

Económico.

Aerodinámico.

Eficiente (esto debido a que debe aprovechamiento posible de energía).

Todos los aerogeneradores de pequeña potencia tienen sistemas de control mecánicos

que son más simples y económicos (aunque menos eficientes) que los electrónicos.

Los primeros aprovechan alguna propiedad que varié con la velocidad del viento

incidente (en general la fuerza centrifuga de las aspas o el empuje axial de las mismas)

para variar la cantidad de energía captada. Un estudio de los climas y vientos en Las

Peñas Michoacán que se realizo en las primeras fases del proyecto de investigación para

la implementación de aerogeneradores en nuestro hogar, dentro de las cuales se

evaluaron los siguientes factores:

De factibilidad: determinar si es posible técnica y económicamente la implementación

de un aerogenerador en nuestro hogar, en lugares alejados de la red de suministro

eléctrica.

De localización: si la zona o región geográfica cuenta con vientos mayores a 5 m/s.

Técnicos: obtener parámetros necesarios para el diseño tanto del aerogenerador como

de la estructura de soporte.

Los valores arbitrarios de la velocidad del viento, fue considerada como moderada ya

que la mayoría del tiempo el viento se encuentra entre los 3-9 m/s. Además estos

valores fueron registrados por el sistema meteorológico.

9.13 Ensamblaje del conjunto mecánico.

Para poder comprender el ensamblaje, se recomienda recordar la Figura 9.13-84. Se

puede observar más fácilmente como los dos rotores van ajustados al buje para girar

solidarios a este. El buje con los rotores es un conjunto que irá encajado en el eje,

permitiéndose el giro de este conjunto (rotores y buje). Mientras que el estator va

atornillado a la montura del aerogenerador sobre los soportes del estator y durante el

funcionamiento del generador se mantiene solidario a toda la montura del

aerogenerador. La manera de que el estator se encuentre entre los rotores magnéticos,

no es otra que montar en primer lugar el rotor posterior sobre el collarín del buje a

través de los clavos rotor, a continuación el estator sobre sus soportes en la montura y

pasando sin tocar su agujero central los clavos del rotor, quedando el estator a 1mm del

rotor trasero.

Seguidamente va encajado el rotor frontal sobre los clavos del rotor de manera que

quede a 1mm de distancia del estator. Sobre el rotor magnético frontal y a través de los

clavos del rotor va montado el rotor eólico, de manera que se tiene un subconjunto

mecánico de rotación que consiste en el buje, los 2 rotores magnéticos y el rotor eólico,

todos éstos elementos solidarios.

Los elementos rotativos del generador (buje y rotores) van montados por el buje con

libertad de giro sobre el eje del generador gracias a los cojinetes. El eje conteniendo al

conjunto buje-rotores, es a su vez es solidario a la montura del aerogenerador. La

montura del aerogenerador, conteniendo todo el generador con el rotor eólico incluido

constituye un conjunto mecánico que tiene un grado de libertad. Este grado de libertad

no es otro que el viraje respecto al eje de la torre (coincidente con el eje del tubo de

viraje). Este viraje es el encargado de apartar el plano de las palas de la fuerza del viento

cuando se tienen velocidades elevadas y entra en funcionamiento el sistema de

orientación. Finalmente simplemente va montada sobre la parte interna de la bisagra de

cola de la montura, la cola con la veleta y con esto ya se dispone de todo el

aerogenerador que va montado sobre la torre que va introducida en su extremo superior

en el tubo de viraje de la montura del aerogenerador. Los cables que bajan de la torre a

la batería deben de ser un par resistente y flexible (THW) que puedan ser retorcidos a

medida que la maquina encara al viento en diferentes direcciones.

Figura 9.13-84. Ensamble mecánico Rotor-Generador.

Todos estas partes se describen en la metodología de descripción del aerogenerador las

cuales son factibles y adquiribles en la Cd. de Lázaro Cárdenas Michoacán. En la

siguiente Figura 9.13-85. Se muestra las casa y el aerogenerador que se desea

implementar en las peñas Michoacán. El cual está destinado a satisfacer las necesidades

básicas, para el hogar.

Figura 9.13-85. Aerogenerador de Imanes de Neodimio.

La casa donde se pretende instalar el aerogenerador es pequeña con solo una recamara y

una cocina. Por lo que se establece poner 3 lámparas una para la cocina, recamara y

entrada de la casa. 2 contactos una para la cocina y otro para la recamara. Como se

muestra en la Figura 9.13-86, Figura 9.13-87. Instalación del inversor, regulador,

interruptor termo magnético y acumulador, fue necesario hacerla en la parte de la azotea

debido a que la batería acumula gases, al potencial eléctrico del inversor y a que es más

económica ya que se ahorra tiempo y espacio para la instalación de los equipos

eléctricos. Si bien se observa la sencillez que tiene la instalación del aerogenerador.

Cabe mencionar que para adquirir un terreno en las peñas Michoacán no presenta un

gran costo ya que los terrenos están cotizados en 10,000 $ y tienen medidas de 20X30=

60 m².

Figura. 9.13-86. Instalación del aerogenerador en Las Peñas Michoacán.

Figura. 9.13-87. Instalación de los componentes eléctricos del

Aerogenerador.

9.14 El montaje eléctrico

Es fundamental un soporte eléctrico para el funcionamiento del aerogenerador. Cómo ya

se ha comentado, el funcionamiento del aerogenerador consiste en que la fuerza del

viento hace girar la turbina eólica (las palas) que al estar montada solidaria a los discos

del rotor, los hace girar. Al girar los rotores, cómo éstos contienen imanes, lo que se

consigue es que el campo magnético que hacen los imanes, varíe. La variación de

campo magnético induce corriente alterna en las bobinas del estator que está en medio

de la variación de campo magnético.

Para aprovechar la inducción de corriente producida en el estator, lógicamente son

necesarios una serie de elementos eléctricos que hagan que la corriente inducida en las

bobinas sea transportada, transformada y controlada de manera correcta. Estos

elementos eléctricos van conectados a la salida del estator sobre un disipador de calor

que se atornilla sobre la montura del aerogenerador. Así pues, en este apartado del

manual se describen los elementos eléctricos y también las conexiones a realizar para

que funcione el sistema.

9.14.1 Elementos eléctricos.

El regulador es el sistema electrónico que transformara la corriente Alterna en corriente

Continua, el cual tiene las siguientes características: Regulador de voltaje 2000 VA, 127

volts, Marca sola Basic. Este Producto es fácil de adquirir en el mercado, en la siguiente

figura 9.14.1.-88, se observa.

Figura 9.14.1-88. Regulador Monofásico de Voltaje.

9.14.2 Otras posibles conexiones.

El interruptor de seguridad es termo-magnético de 1x32 A, TMMG, 127V/220V y 10

kA F.pa. Este interruptor Cada vez que existan corrientes excesivas nos protegerá las

baterías ver Figura 9.14.2-89.

Figura 9.14.2-89 Interruptor de seguridad.

9.14.3 El inversor.

Para poder consumir la energía es necesario que esta sea de corriente alterna ya que

todos los electrodomésticos son de corriente Alterna, es por ello que es necesario en la

instalación un inversor; este dispositivo transforma la corriente continua (CD) en

corriente alterna (AC). El cual tiene las siguientes características:

1- Potencia nominal 1200 Watts.2- Tensión Nominal de entrada 12 V de CD.3- Tensión Nominal de salida 127 V de AC.4- Frecuencia nominal de salida 60 Hz.5- Eficiencia 85%.6- Temperatura minina de operación -20 ºC.7- Temperatura máxima de operación 75 ºC.

Para cualquier mantenimiento al equipo ya instalado es necesario desconectar la lada de

AC y el lado CD debido a potencial de salida del inversor. También debe de ser

aterrizado al igual que las baterías. Figura 9.14.3-90.

Figura 9.14.3-90 Inversor corriente (CD-AC).

9.14.4 Conexión a las baterías.

Es muy importante también proteger el circuito, en este caso usaremos fusibles e

instalaremos un interruptor, esto con el fin de parar el aerogenerador cuando sea

necesario. El cable utilizado que baja del aerogenerador será del calibre #2 AWG.

Figura 9.14.4-91. Conexiones del aerogenerador y la batería.

Para almacenar la energía generada por el aerogenerador se desea implementar una

batería de acido-plomo. Por protección se aconseja aterrizar la batería, No instalarla en

lugar sin ventilación ya que esta genera gases, para la conexión de lado de Alterna se

debe conectar un cable no menor a #12 AWG, #10 AWG y para el lado de continua #2

AWG.

Esto es para evitar que los calibres se sobre calienten, no se debe descarga la batería

más del 50% En condiciones extremas descargar las baterías hasta el 20% de su

capacidad ya que si se excede este valor se puede dañar la batería.

Otra recomendación es que no se debe operar con accesorios como son pulseras

esclavas de plata y oro, debido a que puede existir una descarga. Pero lo más importante

es que la batería no debe durar más de 3-5 días sin ser recargada. En la siguiente figura

9.14.4-92 se muestra la batería.

Figura 9.14.4-92. Batería ó Acumulador del Aerogenerador.

OPCIÓN A.

La potencia que nos puede guardar en la batería, estaría dada en julios ya que es la

unidad que se utiliza para la energía acumulada en la batería, considerando el tiempo de

una hora (3600 seg.) el cual se el necesario para la utilización de la batería, esta se

calcula de la siguiente forma:

P=volts x Amp=(12 v ) (100 A )=1200 watts;1200 watts x 3600 seg=4.32 Mj

Para calcular el tiempo que puede tardar la batería en descargarse por completo, se

establece de la siguiente manera:

Tiempode descarga= Carga electrica de labateria .Consumo electrico de los dispositivos .

Si una batería tiene: 100 Ah = 360 000 C, para obtener el tiempo simplemente

calculamos de la siguiente forma:

Tempo de descarga=360000 C

10800ch

=33.33 Hrs .

OPCIÓN B:

Para la instalación de dos acumuladores, esto se reflejara en el costos eléctrico; si se

desea mayor tiempo para que las pilas se descarguen implementamos dos acumuladores.

En algunos casos, dependiendo de la conexión de las baterías (Serie ó Paralelo) se

tendrá mayor voltaje o en su caso mayor intensidad.

Para la conexión en paralelo tenemos: Dos baterías de 12 volts, en paralelo lo cual

aumenta la intensidad de 200 Ah. Para calcular la potencia del sistema sustituimos:

Potencia=volt x Amp=12 vots x 200 A=2400Watts x 3600 seg=8.64 Mj .

Para calcular el tiempo que puede tardar la batería en descargarse por completo, se

establece de la siguiente manera:

Tiempode descarga= Carga electrica de labateria .Consumo electrico de los dispositivos .

Si una batería tiene: 200 Ah = 360 000 C, para obtener el tiempo simplemente

calculamos de la siguiente forma:

Tempo de descarga=720000 C

10800ch

=66.66 Hrs

Conexión en serie:

Para la conexión en serie la intensidad permanece en 100 Amp, pero el voltaje aumenta

en 24 volts, por lo tanto la potencia es:

Potencia=volt x Amp=24 vots x 100 A=2400 Watts x3600 seg=8.64 Mj .

Para calcular el tiempo que puede tardar la batería en descargarse por completo, se

establece de la siguiente manera:

Tiempode descarga= Carga electrica de labateria .Consumo electrico de los dispositivos .

Si una batería tiene: 200 Ah = 360 000 C, para obtener el tiempo simplemente

calculamos de la siguiente forma:

Tempo de descarga=720000 C

10800ch

=66.66 Hrs

Nuestro aerogenerador es de 12 volts, por lo tanto la configuración en paralelo es la

correcta de lo contrario se presentarían daños en el sistema.

9.15 Instalación del aerogenerador.

Por último tenemos la instalación completa de todos los componentes del

aerogenerador. Ver Figura 9.15-93.

Figura 9.15-93. Instalación completa del aerogenerador.

Como se ha mencionado a la largo de la investigación esta instalación es simple ya que

solo cuenta con 2 contactos y 3 lámparas debido a que es una instalación pequeña al

igual que el aerogenerador que se pretende implementar en Las Peñas Michoacán.

Para implementar el aerogenerador en nuestro hogar necesitaremos de los equipos

mencionados anteriormente. Por lo que en el diseño de su instalación se tiene: cable #2

AWG 9 metros, hasta la llegada del regulador de carga con cable #2 AWG,

posteriormente 0.5 metros al acumulador o batería y a 0,5 metro con cable # 2 el

inversor, con un total de (10 m de #2 AWG). Mismo que tendrá una salida de 110-127

V y 60 Hz y posterior mente con 30 metros salida de los cables # 12 y 10 AWG. Para la

instalación de las lámparas y los contactos. En la siguiente figura 9.15-94 se muestra el

aerogenerador que va implementar en Las Peñas Michoacán.

Figura 9.15-94. Diseño que se desea implementar.

Aunque aún no existe un mapa eólico detallado, hay suficiente evidencia de la

existencia de recursos para su explotación a pequeña escala, que podría ser interesante

para el desarrollo de las poblaciones de Michoacán. Existe un mercado interesante para

pequeñas máquinas eólicas de generación eléctrica, sin embargo su introducción en el

mercado necesita un importante trabajo de promoción y demostración, ver Figura 9.15-

95.

Figura 9.15-95. Montaje eléctrico del Aerogenerador. Los aparatos

mostrados en esta figura no necesariamente estarían trabajando al mismo

tiempo, para no exceder la carga disponible.

9.15.1 Determinación de la carga.

La experiencia muestra que este tipo de instalación ronda los 620 W y el consumo

energético diario se puede estimar en torno a 0.62 kWh. Por ello no tiene sentido pensar

en aplicaciones que exijan una potencia elevada pero conviene prever 2 tomas de

corriente para usos generales para aparatos como radio, un pequeño ventilador y

televisor. Se incluye a continuación una Tabla 9, con algunos consumos típicos:

Equipo Potencia (W)

Lámparas 8,10,15,18,20

Televisión Blanco y Negro 40

Televisión Color 200-400

Radio 6-20

Ventilador 50-100

Tabla 9. Consumos típicos.

Partiendo de estas consideraciones se propone un diseño previo de lo que pudiera ser la

implementación de un aerogenerador en nuestro hogar, en zonas alejadas de la red de

suministro eléctrico, un pequeño esquema unifilar indicando los elementos principales

considerados del sistema:

Figura 9.15.1-96. Esquema unifilar de la instalación.

Con las investigaciones realizadas a lo largo del proyecto es ya posible realizar una

estimación a un consumo máximo del hogar, Las hipótesis generadas en la investigación

se resumen a continuación:

1.- Amanece a las 6:30 AM, durante esa hora se conecta los dos puntos de la luz de la

vivienda de forma que sobre las 5:00 AM, se encendería el primero y se apagaría sobre

las 7:00 AM, cuando ya hay suficiente luz. Los puntos de luz son de alta eficiencia,

siendo consumos de 250 W.

2.- Al atardecer se encienden los tres puntos de luz durante las tres horas siguientes de

(18:00 a 21:00 PM), a esa hora se reduce el consumo a uno o dos puntos de luz (el

externo y otro interno), hasta que se apaga.

3.- Durante el día la radio (200 W de consumo), está casi permanentemente conectada

en las horas de actividad de la casa, esto es de 7:00 a 18:00, cuando se propone que

atardecer y se encienden los puntos de luz.

4.- Por la noche se mantiene algo del consumo derivado del uso de un aparato de radio

o una televisión (620 W) en las dos horas subsiguientes, cuando puede suponerse que

los ocupantes se reúnen para escuchar o ver algún programa.

9.16 Energía generada por el aerogenerador.

Para poder realizar el estudio de viabilidad energética, es necesario realizar una

previsión de la energía media generada en un día.

Los aerogeneradores fácilmente pueden competir con otras alternativas, siempre y

cuando existan los recursos eólicos (aún con vientos relativamente ligeros).

La unidad de 100W diseñada en este proyecto es para uso familiar con cargado de

baterías.

Los pobladores rurales de menos recursos pueden beneficiarse con estos micros

sistemas.

A este valor de energía media generada diaria, se le va a denominar Eg y tiene unas

unidades de kWh/día.

Para poder calcular el valor de esta magnitud para el aerogenerador descrito en este

proyecto de investigación, se tomará el valor de la energía anual generada Eg, año (kWh)

y se dividirá por los días del año, es decir 365 días.

Se ha logrado la caracterización final del sistema de autogeneración:

Diámetro nominal de 2,4 m

Tres palas, perfil aerodinámico naca 4412

Potencia nominal, 100 w

Velocidad nominal de viento, 6,1 m/s

Velocidad nominal del rotor, 360 rpm

Velocidad nominal del Aerogenerador 7.1 m/s.

Velocidad de parada 13 m/s.

Velocidad de arranque 3 m/s.

Parámetros bajo los cuales estableceremos nuestra potencia generada:

Densidad del aire a 10 metros de altura y 26 ºC, es de 1.2254 kg/m³.

Área del rotor del aerogenerador, 4.5238 m².

Coeficiente de potencia del aerogenerador considerado como máximo de 0.36

≈36%. Ya que el ideal sería 0.59≈59%.

Por lo que tenemos el siguiente cálculo de la energía estimada generada:

P (w )=12

∙ ρ (Kgm2 )∙ A (m2 )∙ υ3( m3

Seg3 )∙ Cp

Donde:

— P (w) = Potencia captada de la energía del viento en Watts.

— ρ = Densidad de aire en kg/m³.

— A = Área del rotor del Aerogenerador en m².

— ν = Velocidad del viento en m³/seg³.

— Cp. = Coeficiente de potencia del aerogenerador (a dimensional).

Para calcular la potencia generada en el Aerogenerador tenemos:

P (w )=( 12 ) (1.2254 ) ( 4.5238 ) (6.1 )3 (0.36 )=226.48 Watts .

P (w )=0.226487 kW .

Esta será la potencia que está siendo generada por el aerogenerador, en el momento en

el que el generador se encuentre a potencia nominal, es decir el en momento en que

opere en condiciones nominales de diseño.

9.16.1 Estimación de la potencia eléctrica media anual.

El principal problema que se busca solucionar con la metodología de diseño del

aerogenerador es que su funcionamiento sea adecuado aun en condiciones de bajas

velocidades de rotación, debido a que alternadores convencionales de automóviles están

diseñados para cargar baterías a 12V cuando su velocidad de rotación se encuentra a

360 rpm, además para efectos de disminuir costos se opto por la utilización de

materiales que se encuentran comercialmente en el mercado de Lázaro Cárdenas

Michoacán. Se muestra la potencia en corriente continua ingresada en la batería en

función de la velocidad del viento para el PMG de Neodimio, se obtiene la tercera

columna de la tabla 10 con la potencia correspondiente a cada velocidad, Pi (W)., con la

siguiente expresión:

Ei=P∙ t i

1000

Ei = energía generada para el intervalo de velocidad del viento (kWh).

P = potencia eléctrica de salida para la velocidad del intervalo 1 (W).

Ti = número de horas al año en las que se tiene la velocidad del intervalo 1 (h).

V m/s Ti (horas) PI(Watts) EI (kWh)

0 514 0 01 673 0 0

2 922 0 0

3 628,1 0,3 0,18843

3,5 513,9 0,69 0,354591

4 601 2,3 1,3823

4,5 573 4,7 2,6931

5 592 14,42 8,53664

5,5 540 18,84 10,1736

6 495 38,54 19,0773

6,5 448 64,64 28,95872

7 365 97,77 35,68605

7,5 421 130 54,73

8 264 160 42,24

8,5 241 180,22 43,43302

9 195 220 42,96435

9,5 169 240 40,56

10 269,26 270,45 72,821367

10,5 98 290,99 28,51702

11 107 305,66 32,70562

11,5 41,74 350,44 14,6273656

12 27 0 0

12,5 20 0 0

13 12 0 0

13,5 30 0 0

TOTAL 8760 2390,29 479,6494736

Tabla 10. Columnas 1 y 2: frecuencia de la velocidad del viento.

La suma del total de las energías E i anuales para cada intervalo de velocidad da como

resultado la energía anual generada.

Eg ∙año=479,6494 k W .

Por lo tanto, la energía media diaria generada es de:

Eg=479,6494 kWh.

365 días=1,3141kWh

día

Calculo del tiempo de retorno energético. El tiempo de retorno energético, o tiempo en

el que se genera la cantidad de energía que se pretende consumir en la construcción del

aerogenerador es:

T=ETC 1

EG

=479,6494

kWhdía

1.3141 kWh=365 días .

T: Tiempo de retorno energético (días)

ETC1: Energía total que se pretende consumir en la construcción según el IT-100.

Eg: Energía media generada (1,3141 kWh/día).

En este caso será de T= 365.00 días. Este periodo puede considerarse pequeño para la

vida útil que se espera del aerogenerador, que se estima veinte años.

9.16.2 Cálculo de la energía anual generada.

Para calcular la potencia anual generada por el Aerogenerador de 100 Watts nominales.

Utilizamos los siguientes datos:

Va = Velocidad de arranque del Aerogenerador, 3 m/seg.

Pn = Potencia nominal del Aerogenerador, 100 Watts.

Vc = Velocidad de parada del Aerogenerador, 13 m/seg.

Vm = Velocidad media del viento, 6.1 m/seg.

Vpn = Velocidad de Potencia Nominal del Aerogenerador, 7.1 m/seg.

Las relaciones siguientes dan las dos proporciones requeridas:

VcPn

=13

mseg

100 Watts=0.13 ;

VmVpn

=6.1

mseg

7.1=0.85

Ver el Grafico 1. Para determinar la Potencia anual media generada por el

aerogenerador de 100 Watts.

Grafico 1. Relación de Energía anual generada por el aerogenerador.

Con las relaciones antes mencionadas y el grafico anterior, se determina la relación:

Potencia media desalidaPotencia nominal

=0.45

Una vez determinado dicho valor se debe multiplicar por la potencia nominal del

aerogenerador. Con lo cual tenemos la potencia media de salida.

0.45PmsPn

x 100 W pn=45 Wh. Pms

Calculo de la energía anual media generada.

Una vez obtenida la potencia media de salida del aerogenerador, se puede calcular la

energía anual media de dicho aerogenerador, al valor de salida se le multiplica por el

número de horas al año ¿) y esto nos daría la potencia anual generada, por lo que

tenemos:

(45 Wh ) (8760 año )=394.200kWhaño

Calculo de porcentaje de funcionamiento a potencia nominal.

Las siguientes relaciones dan las dos proporciones requeridas:

Velocidadde corteVelocidad media

=13

mseg

6.1mseg

=2.13

Velocidad nominalVelocidad media

=7.1

mseg

6.1m

seg

=1.16

En el siguiente Grafico 2. Se muestran las curvas para determinar el porcentaje de

tiempo a potencia nominal:

Grafico 2. Porcentaje del aerogenerador a potencia nominal.

Del grafico anterior obtenemos el porcentaje a velocidad nominal: 23%.

Calculo de porcentaje de tiempo de funcionamiento.

Las relaciones siguientes dan las dos proporciones requeridas:

Velocidad de paradaVelocidad media

=13

mseg

6.1m

seg

=2.13

Velocidadde arranqueVelocidad media

=3

mseg

6.1m

seg

=0.49

La siguiente Grafica 3. Determina el porcentaje de tiempo a potencia nominal:

Grafico 3. Porcentaje de tiempo fuera de servicio.

9.17 Mantenimiento.

Dentro de las tareas de mantenimiento se debe distinguir entre mantenimiento

preventivo o planificado y el correctivo o no planificado como respuestas a problemas

descubiertos por el usuario.

Por lo que únicamente se habla del mantenimiento preventivo. Dentro de las tareas de

mantenimiento se deben realizar inspecciones anuales de:

Inspección y ajuste de tuercas

Inspección de las palas

Inspección de los ejes

Inspección del alternador

Engrasar los rodamientos del soporte de la góndola

Inspección de las conexiones eléctricas y del acumulador.

9.18 Análisis de factibilidad para la implementación en el hogar.

Se considero que la potencia nominal del aerogenerador no debía superar los 100 W,

sabiendo que aquellos que lo superan presentan los mismos problemas técnicos que las

grandes turbinas eólicas, imposibilitando algunos recursos para este proyecto.

Teniendo en cuenta el objetivo de:

Determinar con una investigación la factibilidad para la implementación de

aerogeneradores en nuestro hogar, los cuales están destinados a zonas alejadas de la red

eléctrica y como medio de emergencia.

En términos de la dimensión del proyecto, se busco que le generador eléctrico tuviera

las siguientes características:

Capacidad de generar energía a bajas revoluciones.

Potencia acorde a las dimensiones del proyecto (micro aerogeneradores).

Pequeñas dimensiones.

Bajo peso.

Bajo costo

Robustez adecuada.

La carga total que se pretende gastar cada día es de 620Watts, es decir un consumo

aproximado de 0.62 kwh, en la siguiente tabla 11. Se muestra los parámetros bajos los

cuales CFE cobra el recibo de de luz, que son el derecho de alumbrado público (DAP),

IVA 16 %.

Uso Tarifa Hilos

Domestico 1B 1

Concepto Kw precio

Básico B<250 0,671

Intermedio B>250 0,775

DAP % de acuerdo a su demanda.

IVA 16%

Tabla 11. Tarifa de CFE.

Se puede observar que existe un cobro de IVA del 16% y un costo de alumbrado

público que depende de la demanda del usuario.

Calculo de la potencia consumida que se tiene que pagar.

Como tenemos un consumo de 0.62 kWh/día, lo que se consume anual es multiplicar las horas por 8760 horas; por 0.62 kWh. De esta forma

tenemos lo siguiente: 0.62 kW x 8760 h/año que se tiene que pagar a comisión es multiplicar ese valor obtenido por el precio establecido de 1

kWh, el cual es de 0.775 $ por kWh. Además considerando el IVA 16% y el Alumbrado público, el cual depende del porcentaje del consumo.

TABLA COMPARATIVA DE LOS COSTOS DE ENERGIA.

MesesEnergía

consumo. (Kw)

Hr. Precio $ DAP ($)Energía + DAP ($)

IVA 16 %

Sub .Total ($) MesesEnergía

generada. (kw)

Hr. Precio $ DAP ($)Energía + DAP ($)

IVA 16 %

Sub .Total ($)

Enero 0,62 744 0,775 16 373,492 0,16 433,25072 Enero 0,45 744 0,775 16 275,47 0,16 319,5452

Febrero 0,61 672 0,775 16 333,688 0,16 387,07808 Febrero 0,61 672 0,775 16 333,688 0,16 387,07808

Marzo 0,62 744 0,775 16 373,492 0,16 433,25072 Marzo 0,62 744 0,775 16 373,492 0,16 433,25072

Abril 0,62 720 0,775 16 361,96 0,16 419,8736 Abril 0,7 720 0,775 16 406,6 0,16 471,656

Mayo 0,62 744 0,775 16 373,492 0,16 433,25072 Mayo 0,57 744 0,775 16 344,662 0,16 399,80792

Junio 0,62 720 0,775 16 361,96 0,16 419,8736 Junio 0,6 720 0,775 16 350,8 0,16 406,928

Julio 0,72 744 0,775 16 431,152 0,16 500,13632 Julio 0,72 744 0,775 16 431,152 0,16 500,13632

Agosto 0,62 744 0,775 16 373,492 0,16 433,25072 Agosto 0,64 744 0,775 16 385,024 0,16 446,62784

Septiembre 0,62 720 0,775 16 361,96 0,16 419,8736 Septiembre 0,62 720 0,775 16 361,96 0,16 419,8736

Octubre 0,62 744 0,775 16 373,492 0,16 433,25072 Octubre 0,59 744 0,775 16 356,194 0,16 413,18504

Noviembre 0,56 720 0,775 16 328,48 0,16 381,0368 Noviembre 0,61 720 0,775 16 356,38 0,16 413,4008

Diciembre 0,72 744 0,775 16 431,152 0,16 500,13632 Diciembre 0,73 744 0,775 16 436,918 0,16 506,82488

Total/Año 7,57 8760 Total que se paga al Año 5194,26192 Total/Año 7,46 8760 Total que se ahorra al Año 5118,3144

Tabla 12. Comparación con CFE.

Por otra parte, el viento que se produce en la región donde se pretende implementar el

aerogenerador, se puede considerar como moderado, ya que la mayor parte del tiempo,

la velocidad del viento suele estar entre 3, y 9 m/s. Si el aerogenerador se instala en otra

zona con regímenes de viento más elevados, se podría reducir el tiempo de retorno

energético en varios meses.

Por lo tanto se puede afirma que el aerogenerador de imanes permanentes de Neodimio

descrito en este proyecto de investigación, desde el punto de vista energético es

totalmente sostenible y factible.

9.18.1 Beneficios obtenidos del aerogenerador.

Una forma de valorar los beneficios obtenidos por la utilización de energía eólica

consiste en incluir los costos externos o sociales a la hora de cuantificar los costos de

producción de la energía. Estos costos, no incluidos a la hora de reflejar el precio de la

energía y que provocan por ello importantes desviaciones a la hora de valorar la

rentabilidad de las distintas fuentes, incluirían básicamente los aspectos ambientales.

La cuantificación de aspectos como las emisiones atmosféricas emitidas o el riesgo

asociado a las centrales nucleares es realmente compleja. El beneficio para esta

instalación seria ahorrar la energía eléctrica que le consumimos a CFE dándonos por

periodos largos un gran ahorro y electrificación a zonas desconectadas de la red

eléctrica.

9.18.2 Interacciones con el medio físico

Ocupación del terreno.

Un argumento contra el desarrollo de la energía eólica es la gran necesidad de terreno

debido a la dispersión de la fuente, en contraposición, por ejemplo, con la gran

concentración de la fuente en el caso de la energía nuclear.

En el caso de la colocación del aerogenerador de baja potencia para zonas donde no

llega la red de suministro eléctrica, la ocupación del terreno es pequeña debido a que la

instalación del aerogenerador es muy pequeña, no tendría ocupación de mucho terreno.

En la comunidad de Las Peñas la población prácticamente está demasiado alejada entre

una casa y otra, además para la adquisición de un terreno en Las Peñas es fácil obtenerlo

ya que actualmente los terrenos están evaluados entre los 10,000.00 $ y 15,000.00 $. Lo

cual es rentable y factible.

9.18.3 Interacciones con el medio biótico.

Los riesgos para las aves causados por los aerogeneradores son derivados de la

posibilidad de colisión con las palas o con la torre. El movimiento de las palas hace que

los aerogeneradores sean más visibles para las aves que otras estructuras similares:

torres eléctricas, antenas etc. Es evidente que debe tenerse en cuenta las rutas de

migración y especiales zonas de alto número de especies sensibles o en peligro de

extinción.

Las líneas de transmisión de energía eléctrica presenta una amenaza mucho mayor que

los aerogeneradores. Por tanto en lo que respecta la instalación del aerogenerador del

presente trabajo de investigación en Las Peñas Michoacán, debido a la pequeña

superficie ocupada por las palas y a que la línea eléctrica va conducida por el interior de

la torre hasta el suelo, se puede considerar que el riesgo de la avifauna es mínimo.

9.18.4 Vegetación.

Los impactos sobre la vegetación pueden ser directos (desaparición de la vegetación), o

indirectos (interrupción de cursos fluviales, utilización de herbicidas, incendios,

pastoreo). Los primeros tienen lugar preferentemente en el momento de la construcción

del Aerogenerador, son fáciles de prever:

Movimiento de tierras en la preparación de los accesos al generador (en caso

de ser necesarios).

Realización del anclaje al suelo (no se necesita cimentación).

El aerogenerador que se desea implementar en Las Peñas Michoacán, no tendrá impacto

alguno ya que no es una zona con mucha vegetación y la instalación es demasiado

pequeña. El resultado sería que no tiene impacto alguno sobre la vegetación.

9.18.5 Interacciones con el medio humano.

El impacto visual

Respecto al impacto visual, no hace falta reseñar la dificultad de evaluación del mismo,

ya que si bien es verdad que cualquier estructura recortada vertical con partes móviles

destaca en el paisaje y atrae la atención del observador, no es menos verdad que esta

reacción es subjetiva y difícil de cuantificar, ya sea positiva o negativamente.

El impacto visual depende de la percepción de las personas.

Los ángulos de visualización y el impacto pueden establecerse en tres niveles:

1. Primer nivel: dentro de la instalación o colindante con esta, con un gran impacto.

2. Segundo nivel: en el que la topografía suele minimizar el impacto hasta hacerlo

incluso nulo.

3. Tercer nivel: a partir de un kilometro de la instalación, en la que el impacto depende

muy directamente de la dirección de visualización del observador.

Dadas los pequeños hogares donde se pretende implementar el aerogenerador en Las

Peñas Michoacán. El impacto visual será de tercer nivel lo cual no será de gran

importancia.

9.18.6 Impacto socioeconómico regional.

Para la implementación de aerogenerador en Las Peñas Michoacán, no tendría un gran

impacto socio económico ya que muchas de las piezas se pueden obtener fácil mente

esto es debido a que en Lázaro Cárdenas se cuenta con tecnología para adquirir todas las

piezas.

Otro aspecto importante de mencionar es que adquirir un aerogenerador de origen

extranjero tiene costos elevados, esto se debe al transporte y a la mano de obra para la

instalación, además en el mercado los precios de estos aerogeneradores tienen un costo

de 15, 652 - 22,000$, mas los costos de envió, los costos de instalación y los costos de

los accesorios. Se puede decir que estos siempre estarán variando, esto es prácticamente

por que en el mercado los precios están sujetos a los valores de la moneda nacional de

los países con mayor desarrollo e influencia en el mercado.

Por los mencionado anterior mente se ha llegado a la conclusión que los costos para

poner en marcha un aerogenerador siempre dependerán de los factores externos, el más

importante es el viento, para la comunidad de las Peñas Michoacán no se presenta

escases de viento por lo que la implementación de un aerogenerador de 100 Watts

nominales es totalmente factible y rentable.

En el siguiente apartado se muestra el presupuesto establecido para la implementación

de nuestro hogar. En lo que respecta a los análisis de factibilidad del aerogenerador de

100 Watts Nominales se llego a la conclusión que es totalmente factible y

autosustentable ya que este puede estar generando energía suficiente para no prever la

necesidad de consumir energía a CFE.

9.19 Presupuesto.

A continuación se muestra el costo económico del proyecto de investigación titulado

“Los aerogeneradores y la factibilidad para la implementación en nuestro hogar.”

Este presupuesto se compone de los costos de los materiales para el aerogenerador, el

costo de los materiales para la construcción de los moldes (costos indirectos requeridos

para el diseño e implementación), el costo de la energía consumida en los procesos.

Los costos utilizados en el papeleo y desplazamiento para la obtención de materiales e

información y por último tenemos el costo del personal dedicadas a la realización de la

realización de la construcción del prototipo aerogenerador (costos directos).

A continuación se muestra de igual modo la Tabla 13. Costo del material necesario

como mínimo para la construcción de los moldes y plantillas del aerogenerador:

MATERIALES DE MOLDES Y PLANTILLAS

CANTIDAD DE MANDADA

COSTO $ PESOS MEX

COSTO ($MEX)

MADERA      

Tabla de compuesto de madera 3 de (50X50X13) 48.33 150

Tornillo M6 x 60 2 Cabeza Hexagonal 4 8.00

Tornillo M10 x 70 4 Cabeza Hexagonal 2.5 10.00

Tornillo M12 x 150 1 Cabeza Hexagonal 5 5.00

Tuercas M6 2 mariposa 1 2.00

Tuercas M8 4 Hexagonales 1 4.00

Tuercas M10 4 Hexagonales 1 4.00

Tuercas M12 1 Hexagonal 1 1.00

Arandelas M6 2 Planas 0.5 1.00

Arandelas M10 4 Planas 0.5 2.00

Arandelas M12 1 Plana 0.5 0.50

COSTO TOTAL 187.50 $

Tabla 13. Costo del material necesario de los moldes y plantillas de las palas.

A si también se muestran el presupuesto de la adquisición de los materiales:

MATERIALES CANTIDAD DEMANDADACOSTO UNITARIO

($ MEX)COSTO ($ MEX)

GENERADOR

ENCASCAMIENTO  

Resina con catalizador 2,0 Kg 110 220.00

Polvo de talco 1,400 g 35 49.00

Fibra de vidrio 1 m² 46 46.00

ACERO    

Plancha de acero 2 Discos de 305 mm de Diâmetro 50 100.00

Barra roscada M8 400 mm 35 35.00

Barra roscada M10 960 mm 35 35.00

Tuercas M10 44 1.5 66.00

Tornillos M10 4 2.0 8.00

Tuercas M8 12 1.5 18.00

Arandelas M10 8 1 8.00

Tuercas M5 2 1.5 3.00

Tornillos M5 2 2.0 4.00

ELEMENTOS ELECTRICOS

Hilo de cobre esmaltado 1.5 Kg de diámetro 1,5mm 170 255.00

Cable flexible 1 carrete 25 m, diámetro 1,5 mm 100.00 100.00

Bloque magnéticos 16 imanes de Neodimio, 50x50x20mm 110.00 1760.00

Alambre de estaño Rollo de 100 gramos, diámetro 1,5mm 50.00 50.00

Disipador de calor Reciclado ------------- ------

Bloques conectores 1 regleta de 10 cm 25.00 25.00

Alambre de acero inoxidable 1 rollo de 10 m, diámetro 2mm 20.00

Rectificador monofásico 2 (25 A,400 V) 45.00 90.00

Buje con eje y accesorios 1 buje y 1 eje de buje 250.00 250.00

Cinta adhesiva 1cinta, 10m x 19mm 40.00 40.00

BASE DEL AEROGENERADOR  

Tubo de acero 300 mm de longitud 10 mts. sobrante 50.00 300.00

Soldadura. Electrodos kg 73.00 73.00

ROTOR EOLICO

Tablas 3 Piezas 780x165x45mm 60 180.00

Plancha de madera 2 Discos de 300 mm de Diámetro 17.5 35.00

ACERO    

Tornillos M6 15 De M6 x 70 mm 4 60.00

Tuercas M6 15 2 30.00

Tuercas M10 4 2 8.00

MONTADURA DEL AEROGENERADOR  

ACERO    

Tubo de 300 mm 2 Tubo, Diámetro exterior 60,3 mm 50 100.00

Ángulos 2 Ángulos de 305 mm, espesor 6 mm 15 30.00

Ángulos soporte 2 Ángulos, Long 100 mm, espesor 6mm 15 30.00

Anillo 1 De Diámetro 60,3 mm, espesor 6 mm 40 40.00

Tubo de 200 mm 1 Tubo de Diámetro exterior 33,4 mm 80 80.00

Trapecio1 Pieza de 100 mm y ancho de 20 a 56

mm6.5 6.50

COLA DEL AEROGENERADOR  

ACERO    

Tubo de 150 mm 2 Tubo, Diámetro exterior 42,2 mm 95 190.00

Tubo de 1200 mm 1 Tubo, Diámetro exterior42,2 mm 90 90.00

Barra 1 Pieza de 300x30x8 mm Reciclado 0.00

Tuercas M10 3 3 9.00

Tornillo M10 3 de M10x60 3 9.00

Madera contrachapada 1 de 900.600mm altura 600 mm 35 35.00

Material para soldadura 1123 mm de varilla de Diámetro 3mm 99.50 99.50

COSTO TOTAL DEL AEROGENERADOR ($ PESOS MEXICANOS)   4587.00

Tabla 14. Costos de los materiales del aerogenerador.

Para calcular el costo del trabajo realizado por los operarios en el taller, se ha supuesto

que con 5 operarios trabajando como mínimo 8 horas cada uno durante 9 días se puede

terminar el trabajo.

Se ha supuesto que el costo unitario de un operario es 1800 semanales, equivalente a

37.50 ($/h) que cobra un empleado en el sector del metal según el portal del empleo en

Lázaro Cárdenas Michoacán. Donde se obtiene la siguiente Tabla 15, de costos:

CONCEPTO COSTO UNITARIOCANTIDAD

CONSUMIDACOSTO ($)

Horas operario 37.50 $/h 5 operarios 72 h/operario 13500.00

Energía en los procesos 0.759 $/kWh 263.50 kWh 199.99

Iluminación. 0.759 $/kWh 72 Consumiendo 600W 32.79

Costo total en taller 13732.78

Tabla 15. Costo de la energía utilizada en los procesos de fabricación.

En la siguiente Tabla 16, se muestra el presupuesto que se calculo en el apartado,

Instalación eléctrica del Aerogenerador. Opción A, el cual fue el siguiente:

MATERIALPRECIO

UNITARIOCANTIDAD TOTAL

ITP2000 Inversor CD/AC 12VCD-127VAC 1000Watts 2223 1 2223

Regulador de voltaje 2000 VA, 127 volts. 660 1 660

Interrupter TMMG 1X32A 127/220V 10KA SQUARE 53 1 53

Acumulador Monoblock ENERSOL 2179,99 1 2179,99

Cable Calibre Nº 2 AWG 10 Metros 534,1 1 534,1

Cable Calibre Nº 10 AWG 30 Metros 242,7 1 242,7

Cable Calibre Nº 12 AWG 30 metros 156,3 1 156,3

Focos Ahorradores Mini turbo T2 6400k 20Watts 50 3 150

Contac. Sencillos 2P 3H 15A 127V Marc. Blanco 30 2 60

Apagadores Sencillos Marc. Blanco 15 3 45

Soker Portalámparas senc. Baquelita 127 v. 5 3 15

Cinta de Aislar PVC Negro Cooper 40 1 40

Costo total de instalación del aerogenerador 6359,09

Tabla 16. Costo total de instalación del aerogenerador.

En la siguiente Tabla 17, se muestra el presupuesto que se calculo en el apartado,

Instalación del Aerogenerador.

Opción B, el cual fue el siguiente:

MATERIALPRECIO

UNITARIOCANTIDAD TOTAL

ITP2000 Inversor CD/AC 12VCD-127VAC 1000Watts 2223 1 2223

Regulador de voltaje 2000 VA, 127 volts. 660 1 660

Interrupter TMMG 1X32A 127/220V 10KA SQUARE 53 1 53

Acumulador Monoblock ENERSOL 2179,99 2 4359,98

Cable Calibre Nº 2 AWG 10 Metros 534,1 1 534,1

Cable Calibre Nº 10 AWG 30 Metros 242,7 1 242,7

Cable Calibre Nº 12 AWG 30 metros 156,3 1 156,3

Focos Ahorradores Mini turbo T2 6400k 20Watts 50 3 150

Contac. Sencillos 2P 3H 15A 127V Marc. Blanco 30 2 60

Apagadores Sencillos Marc. Blanco 15 3 45

Soker Portalámparas senc. Baquelita 127 v. 5 3 15

Cinta de Aislar PVC Negro Cooper 40 1 40

Costo total de instalación del aerogenerador 8539,08

Tabla 17. Costo total de instalación del aerogenerador.

Teniendo en cuenta todos los conceptos descritos, desde el diseño del presente proyecto

de investigación, hasta la corrección de datos, las horas dedicadas a la investigación, la

obtención de datos, papeleo y transporte.

Presupuesto final para la implementación del aerogenerador en el hogar Opción A:

CONCEPTO COSTO $

Costo de materiales para el aerogenerador 4587.00 $

Costo de moldes y plantillas 187.50 $

Costo total en taller 13732.78 $

Costo de papeleo, desplazamiento y accesorios para el aerogenerador 1000.00 $

Costo total de instalación eléctrica. 6359,09 $

COSTO PRESUPUESTO TOTAL 25866.37 $

Tabla 18. Presupuesto final para la investigación y diseño (opción A).

Presupuesto final para la implementación del aerogenerador en el hogar Opción B:

CONCEPTO COSTO $

Costo de materiales para el aerogenerador 4587.00 $

Costo de moldes y plantillas 187.50 $

Costo total en taller 13732.78 $

Costo de papeleo, desplazamiento y accesorios para el aerogenerador 1000.00 $

Costo total de instalación eléctrica. 8539.08 $

COSTO PRESUPUESTO TOTAL 28046.36 $

Tabla 19. Presupuesto final para la investigación y diseño (opción B).

En la siguiente Figura 9.19-97 y Figura 9.19-98. Instalación completa del

Aerogenerador, se muestra el Aerogenerador y los dispositivos eléctricos instalados en

el hogar, cuales son los finales para este proyecto.

Figura 9.19-97. Aerogenerador y dispositivos eléctricos.

Figura 9.19-98. Instalación completa del aerogenerador.

Para el generador eólico fue necesario la implementación de algunos accesorios con son

los tubos para las cola del aerogenerador y el propio tubo que sirve como mecanismo

para mantenimiento Figura 9.19-99 y Figura 9.19-100.

Figura 9.19-99. Componentes del generador eólico.

Figura 9.19-100. Base y bisagra para mantenimiento del aerogenerador.

El aerogenerador será instalado con todos los componentes y accesorios eléctricos para

ello se instalaron en una pequeña casa, los cuales se observan en la siguiente Figura

9.19-101 y Figura 9.19-102.

Figura. 9.19-101. Componentes eléctricos del aerogenerador.

Figura 9.19-102. Accesorios e instalación del aerogenerador.

9.20 Presupuesto de Aerogenerador en mercado extranjero.

Generadores eólicos, turbinas eólicas aerogeneradores  horizontales y verticales. 

Si su carga es a 12vdc ó a 110vca, 220vca, trifásicos o se va a conectar a la red de CFE ó es independiente. Artículos de

importación para compra.

Figura 9.20-103. Instalación de aerogenerador 400 Watts.

Figura 9.20-104. Conexiones de los equipos.

El kit eólico TIPO TIERRA Y MARINO 400w salidas disponibles 12v, 24v, 48v 

Tiene:

 

Figura 9.19-105. Accesorios del aerogenerador de 400 Watts.

1 generador 400w.1 juego de aspas.1 juego de herramientas ensamble.1 manual.1 pastilla térmica.1 caja para pastilla.1 voltímetro.1 amperímetro.2 fusibles línea.1 porta fusible línea.10 mts cable cal.8 AWG10 mts cable cal.8 AWG10 mts cable cal.8 AWG1 varilla tierra.1 conector varilla tierra.2 bat 12v 390amp tipo abiertas ciclo profundo*para tener respaldo o  4, 6 ,8 baterías tipo selladas de 100 amp  o 115 amp  con 10 hr de viento  promedio 22km (6 m/seg) y 10hr mínimo al día.1 inversor 2kw  senoidal modificada.

Costo paquete básico  tipo tierra...$20,800  en tipo marino  $22,100 no incluye: poste,

envió e instalación.

Tabla. 20. Especificaciones técnicas del aerogenerador de 400 Watts.

Tabla 21. Diversos aerogeneradores y especificaciones.

CAPITULO X: CONCLUSIONES

10.1 Conclusiones.

En este anteproyecto se desarrollaron las bases para realizar un aerogenerador

experimental de baja potencia, que puede ser implementado en una casa habitación.

Como fue establecida en el objetivo general de determinar la factibilidad para la

implementación de aerogeneradores en nuestro hogar, debido al problema que se

presenta en lugares donde no existe la red eléctrica, como es el caso de Las Peñas

Michoacán.

Se planteo la hipótesis de obtener energía eléctrica, por medio de un aerogenerador, que

podría ser construido con los materiales y los conocimientos que se tienen en la carrera

de Ingeniería Electromecánica.

Se comenzó determinando las características principales del aerogenerador y la

instalación eléctrica, para ello se considero un aerogenerador de 100 Watts nominales.

Se obtuvieron datos de los materiales y del recurso eólico, para tener la certeza del

tamaño y del diseño del aerogenerador mencionado en el presente proyecto de

investigación.

En el proyecto se establece por un lado la sencillez de su construcción por otro lado la

fácil y la económica adquisición en La Cd de Lázaro Cárdenas Mich,. de los materiales

necesarios para la construcción del aerogenerador, así como la construcción de los

moldes y la plantillas previas, que hacen que sea factible construir un aerogenerador de

baja potencia con la seguridad de que tenga un buen funcionamiento y una buena vida

útil.

Respecto al costo económico de construir un aerogenerador de este tipo, hay que señalar

que un 23% corresponde a los materiales, y el resto 77% corresponde a la mano de

obra. Esto debido a que podemos utilizar materiales de recicle que son más baratos.

Se puede afirmar que el aerogenerador de imanes permanentes de Neodimio descrito en

este proyecto de investigación, desde el punto de vista energético es totalmente

sostenible y factible. Dado al tamaño de las palas de este aerogenerador no presenta

daños con el medio biótico, ni presenta alteraciones sobre la vegetación. Desde el punto

de vista geográfico, la población de Las Peñas Michoacán representa un buen lugar en

donde los vientos son constantes, lo que garantizaría una operación continua del

aerogenerador y por consiguiente la generación constante de energía eléctrica.

CAPITULO XI: RECOMENDACIONES.

11.1. Recomendaciones.

Es recomendable que el proyecto se llevara a cabo en una primera fase como un

prototipo didáctico, para realizar pruebas que nos permitieran realizar una futura

fabricación de estos aerogeneradores en forma comercial.

Paralelamente sería necesario realizar estudios sobre las pérdidas de energía en las

baterías y en los equipos instalados, esto es para hacer más óptimo el sistema eléctrico.

Se deben buscar recursos económicos en las instancias oficiales y privadas, para poder

realizar la construcción del modelo didáctico de este tipo de aerogenerador.

Teniendo el modelo didáctico podemos hacer estudios técnicos y económicos, para

establecer sus bondades en cuanto al costo de la energía eléctrica comercial con la que

se podría obtener con el aerogenerador propuesto.

La fabricación del modelo didáctico se puede realizar en la academia de Ingeniería

Electromecánica del ITLAC, para servir de base para la asignatura de Fuentes de ahorro

de energía.

BIBLIOGRAFIA:

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http://www.energia.sourceguides.com/businesses/byp/wrp.

http://www.eco-web.com/

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http://www.hcpl.gov.ec/modules.php?name=Webexterna

http://www.etaengineering.com/windpower/air_x_vs_403 .

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http://www.ewea.org

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http://www.misteriospdf.com/otros/aerogenerador.pdf

www.sener.gob.mx, página de la secretaria de energía México.

www.cfe.gob.mx, portal de la comisión federal de electricidad, México.

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www.allsmallwindturbines.com.

http://www.magnetsales.com

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http://www.iea.org/textbase/npsum/WEO2002SUM.

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http://www.itdg.org/docs/energy/pmg_manual.

http://www.itdg.org/docs/energy/blades_manual.

http://www.scoraigwind.com/download/Bookletwind.

ANEXOS.

Para poder construir el aerogenerador descrito en este proyecto de investigación, son

necesarios moldes que permitan conformar las carcasas del estator y los rotores y

plantillas que faciliten los procesos de compresión, fijación y dimensionado que puedan

darse en la manufactura del aerogenerador. Hay que decir que todos los elementos que

se describen a continuación son de múltiples usos y que una vez construidos sirven para

la manufactura de múltiples aerogeneradores.

Es decir que solo se tiene en cuenta su construcción para el aerogenerador que se vaya a

construir.

A continuación se muestra la tabla x-1 para sintetizar toda la información descrita

acerca de los materiales enumerados y descritos necesarios para los moldes y las

plantillas. Se trata de mostrar más detalladamente las características de los materiales

para facilitar la adquisición de estos materiales.

MATERIALES PARA MOLDES Y PLANTILLAS

CANTIDAD TIPO

MADERA.    

Tabla de compuesto de madera.4 Discos de 500 mm de diámetro. 3 Discos de 368 mm de diámetro. 2 Discos de 375 mm de diámetro.

Grosor 20 mm.

Tabla de compuesto de madera. 2 Discos de 140 mm de diámetro Grosor 15 mm.

Tabla de compuesto de madera. 380 X 50 mm. Grosor 25 mm.

Madera contrachapada.2 Piezas de 125 x 125 mm. 1 Pieza de 50 x 50 mm. 1 Pieza de 250 mm.

Grosor 13 mm.

ACERO.    

Placa 60 x 30 mm Grosor 3 mm.

Placa 125 x 125 mm. Grosor 1 mm.

Barra tubular hueca. 50 mm.D. exterior 17 mm,

espesor 1 mm.

Tornillos M6 2 6 x 60, Cabeza hexagonal.

Tornillos M10 410 x 70 mm, Cabeza

hexagonal

Tornillos M12 112 x 150 mm, Cabeza

hexagonal

Tuercas M6 2 M6 Mariposa

Tuercas M8 4 M8 Mariposa

Tuercas M10 4 M10 Mariposa

Tuercas M12 1 M12 Mariposa

Arandelas M6 2 M6 Planas

Arandelas M10 4M10 Planas (espesor 2

mm)

Arandelas M12 1 M12 Plana

OTROS    

Cola 1 bote Cola blanca para madera

Cera 1 bote Cera de patinar

Barniz 1 bote Titalux (de poliuretano)

Agente desmoldeante 1 bote DESMOLD PVA 330

Papel 46 x 61 Cm Cartulina blanca lisa

Pinceles 3 Tamaño 20

Diluyente 1 bote Disolvente Universal NitroDipistol

Tabla x-1. Lista de los materiales necesarios de moldes y plantillas.