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ESTUDIO DEL POTENCIAL DE GENERACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA COMO RECURSO
ALTERNATIVO EN LA AEROGENERACIÓN, EN LA I.E. JOSÉ EUSTASIO RIVERA DE
SARAVENA ARAUCA.
Autor: ANANIAS VILLAMIZAR GALLARDO
Asesora: CLAUDIA MARCELA SIERRA
Saravena–Arauca
2016
TÍTULO DEL PROYECTO
ESTUDIO DEL POTENCIAL DE GENERACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA COMO RECURSO
ALTERNATIVO EN LA AEROGENERACIÓN, EN LA IE JOSÉ EUSTASIO RIVERA DE
SARAVENA ARAUCA.
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo de investigación enfoca su temática en el proceso de generación
de energía eléctrica a través de la energía eólica, la generación de energía eléctrica
consiste en trasformar alguna clase de energía (Química, Cinética, Térmica, eólica
entre otras) en energía eléctrica, a nivel industrial se recurre a instalaciones
denominadas centrales eléctricas, que se especializan en la transformación de algún
tipo de energía, estas se encargan de realizar el suministro en todo un territorio.
La generación eléctrica requiere necesariamente de un generador eléctrico, que
usualmente sólo difieren entre sí en la forma como se accionan. Este dispositivo
convierte la energía mecánica en energía eléctrica manteniendo una diferencia de
potencial entre dos puntos llamados polos o bornes. De acuerdo a la ley de Faraday, al
hacer girar una espira dentro de un campo magnético, se produce una variación del
flujo de dicho campo a través de la espira y por lo tanto se genera una corriente
eléctrica.
La energía eólica se obtiene mediante el continuo movimiento del aire, entonces
corresponde a una energía cinética generada por las vibraciones que dicho viento
produce. Este recurso se ha utilizado desde tiempo muy remoto, con los molinos de
viento que tenían diferentes funciones como lo era bombear agua, moler los granos
etc. Sin embargo la utilización de este recurso para la generación de energía eléctrica
es relativamente nuevo, sólo en la época de los años 70S con la crisis del petróleo y el
inconformismo con la energía nuclear, despertó el interés por la energías renovables y
un tanto ecológicas buscando la viabilidad entre la conservación del medio ambiente y
su rentabilidad económica, entonces se dio inicio a otra era en el desarrollo industrial
con los aerogeneradores que hoy día los vemos en áreas expuestas a corrientes de aire
frecuente, como áreas costeras, alturas montañosas.
En cuanto al impacto ambiental de este sistema de generación es relativamente bajo
es una energía limpia su nivel de contaminación es casi nulo, en cambio su utilidad es
de gran importancia partiendo de la base que es un recurso inagotable ya que de 1%
a un 2% de la energía que llega a la tierra del sol se convierte en energía eólica,
algunos estudios han demostrado que podría cubrir la demanda de energética del
planeta.
La presente investigación tiene en cuanta la problemática que por la cual se estaba
atravesando gran parte de los países de Latinoamérica desde finales del año pasado
(2015) como lo fue el llamado fenómeno del niño que afecto las fuentes hídricas y en
consecuencia la generación de energía eléctrica, Colombia específicamente optó por
darle una solución temporal mediante el ahorro, es de entender que no sólo de esta
forma soluciona el problema sino que se tiene que buscar nuevas formas de
sostenimiento energético.
Finalmente se realizó un estudio de las corrientes de aire a dos alturas previamente
establecidas dentro de la I.E. José Eustasio Rivera por un periodo de un mes (Abril de
2016), se estimó el potencial energético y se construyeron aerogeneradores en
material reutilizable que generaron una diferencia de potencial mínima de 8 voltios
permitiendo alimentar una tira de Led de un metro de longitud e iluminar un pasillo de
la institución.
1. PROBLEMA
1.1. Definición Del Problema
El agua es un elemento natural que hay que proteger para garantizar el
funcionamiento de los ecosistemas y la supervivencia de los seres vivos que lo
conforman. La generación de energía eléctrica lo es en el desarrollo de la ciencia y la
tecnología, siendo de gran magnitud el impacto en el desenvolvimiento de las labores
cotidianas del ser humano, es claro que se debe preservar el medio ambiente, pero
también se necesita de la generación de la energía eléctrica pues la humanidad
afrontaría grandes dificultades sin este recurso energético.
La demanda de energía es cada vez mayor, en particular en Colombia donde un gran
porcentaje de energía se genera con las hidroeléctricas y por consiguiente se necesita
del represamiento de las fuentes hídricas. Ahora bien, el fenómeno del niño ha
disminuido las fuentes hídricas e incluso en algunas regiones han desaparecido por
completo; los embalses en su gran mayoría están en muy bajo nivel, debido
contaminación, emisión de gases de efecto invernadero y algunas explotaciones de
recursos naturales, que son causa directa del calentamiento global.
Las dificultades para la generación de la energía eléctrica, han implicado un cambio en
las políticas energéticas en Colombia, es claro que se debe direccionar la producción
de este recurso no basta con elevar el precio por kilovatio/hora, tampoco con un
ahorro programático, ahorrar es importante y debe ser una práctica continua aunque
sea una medida que da resultados a mediano plazo. La solución eficiente es la
búsqueda de otras fuentes de generación ahí entra a jugar un papel muy importante la
llamadas energías limpias en particular un recurso inagotable como lo es el continuo
movimiento de las corrientes de aire.
1.2. Planteamiento
Colombia presenta una capacidad instalada de cerca de 13 GW, de los cuales el 65% es
de origen hidroeléctrico, el restante 34,88% corresponde a las termoeléctricas, y sólo
un 0,12 % lo aporta la energía eólica, aunque se cree que hacia el 2018 o 2019 el 20%
del consumo nacional corresponderá a este tipo de energía. Las proyecciones
energéticas a futuro indican que es de suma importancia orientar la atención en este
recurso como una fuente primaria inagotable para la solución a la problemática del
suministro energético, el aprovechamiento de su potencia es de vital importancia en
muchos aspectos entre ellos: permite que los jóvenes profesionales en la materia
desarrollen sus capacidades y brinden alternativas de solución, activa la economía de
las regiones, protege el medio ambiente buscando un equilibrio entre el avance
tecnológico y la conservación de la vida sobre el planeta, por tal razón el siguiente
proyecto se plantea la construcción de una mini-estación eléctrica con material
reutilizable que nos permitirá estudiar y monitorear la generación de energía en la I.E.
José Eustasio Rivera del municipio de Saravena. Dicha generación permitirá solucionar
de alguna manera la falta de iluminación de uno de los pasillos que se encuentra con
mucha oscuridad en horas nocturnas, y de esta forma contribuir con la campaña de
ahorro energético que propuso el Gobierno Nacional para los meses de marzo y abril
de 2016
Formulación
¿LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, A TRAVÉS DE AEROGENERADORES
DISEÑADOS EN MATERIAL REUTILIZABLE, PUEDE SUMINISTRAR LA ENERGÍA NECESARIA
PARA ALIMENTAR UN CIRCUITO BÁSICO E ILUMINAR EL PASILLO DEL COLEGIO?
1.3. Sistematización.
¿De qué manera se podría ubicar la unidad de generación energía en la I.E?
¿Para construir los aerogeneradores qué elementos se deben evaluar?
¿Qué tipo de construcciones mecánicas se emplearían en dicho montaje?
2. Justificación
En los últimos años, tal vez en la presente década en medios de comunicación se ha
analizado el tema del calentamiento global. El efecto invernadero es un hecho y lo
estamos viviendo, se ve en el comportamiento climático donde se puede apreciar el
aumento en las temperaturas. Actualmente en algunos países de América Latina están
pasando por el fenómeno del niño que ha disminuido notoriamente las fuentes
hídricas.
El mayor porcentaje de energía eléctrica que se consume en el territorio nacional se
genera a partir de las hidroeléctricas y algunas termoeléctricas lo que implica la
utilización de recursos naturales el agua en mayor porcentaje y algunos otros no
renovables como el petróleo, carbón y gas, recursos que poco a poco se van agotando
y entonces la humanidad debe concentrarse en la obtención de energía de otras
formas menos contaminantes y que sean amigables con el planeta. Una forma de
aportar a la conservación del medio ambiente es centrar la atención en las llamadas
energías limpias entre ellas, la que puede suministrar una corriente de aire, recurso
que no se ha tenido en cuenta en la región como alternativa directa en la generación
de energía, tampoco ha sido eje central de un proceso de investigación, razones que
motivan al abordaje de esta temática, buscando elementos suficientes que permitan
comprobar si es posible con algunos instrumentos ensamblados con materiales ya
utilizados lograr el aprovechamiento del recurso eólico para la generación de energía.
Finalmente, generar energía eléctrica utilizando el potencial que suministra la
velocidad del viento es un reto que motiva el desarrollo de este trabajo de
investigación, ya que por medio de éste se puede aportar elementos que permitan el
inicio de estudios de fuentes energéticas que tiendan a la protección del medio
ambiente, así mismo implica relacionar directamente un diseño industrial a mediana
escala con algunos modelos netamente matemáticos.
3. Objetivos
3.1. Objetivo General
Realizar el estudio del potencial de generación de energía eólica como recurso
alternativo en la aerogeneración, en la I.E. José Eustasio Rivera de Saravena Arauca.
3.2. Objetivos Específicos
De la formulación del objetivo general se desglosan los siguientes objetivos específicos:
3.2.1. Elaborar instrumentos para medir la velocidad y dirección del viento, con
material reutilizable.
3.2.2. Construir aerogeneradores utilizando material reutilizable.
3.2.3. Realizar un análisis estadístico de la velocidad y dirección de viento por un
período de un mes a alturas de 10 y 15 metros.
3.2.4. Estimar mediante el levantamiento de información primaria el potencial de
la energía eólica en watt/m2 en la zona de estudio a alturas de 10 y 15
metros respectivamente.
4. Marco legal
La ley 1715 del 13 de mayo del 2014. Por medio de la cual se regula la integración de las energías renovables no convencionales al Sistema Energético Nacional.
La presente ley tiene por objeto promover el desarrollo y la utilización de las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable. Uno de sus objetivos es la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y la seguridad del abastecimiento energético con el propósito de promover la gestión eficiente de energía, que comprende tanto la eficiencia energética como la demanda.
La finalidad de la ley establece el marco legal y los instrumentos para el aprovechamiento de las fuentes no convencionales de energía, principalmente aquellas de carácter renovable, lo mismo que la investigación y el desarrollo de tecnologías limpias para la producción de energía, en el marco de la política energética nacional, igualmente, establece las líneas de acción para el cumplimiento de compromisos con la comunidad internacional en materia de energía renovables, busca de la misma forma una gestión eficiente de la energía y las emisiones de gases de efecto invernadero; cumpliendo con los estatutos de la Agencia Internacional de Energías Renovables mediante la Ley 1665 de 2013.
5. Marco de referencia.
5.1. Antecedentes.
5.1.1. Energía eólica en Colombia.
5.1.1.1. Generalidades.
Los vientos en Colombia están entre los mejores de Sudamérica. Regiones en donde se
han investigado, como en el departamento de La Guajira, han sido clasificados vientos
clase 7 [cerca de los 10 metros por segundo (m/s)]. La única otra región con esta
clasificación en Latinoamérica es la Patagonia, ubicada en Chile y Argentina.
Colombia tiene un potencial estimado de energía eólica de 21GW solamente en el
departamento de La Guajira (lo suficiente para satisfacer casi dos veces la demanda
nacional de energía). Sin embargo, el país solamente ha instalado 19.5MW en energía
eólica, explotando 0.4% de su potencial teórico. Esta capacidad la aprovecha
principalmente el Parque de Jepirachí, desarrollado por Empresas Públicas de Medellín
(EPM) bajo Carbón Finance, un mecanismo anexado al Banco Mundial. También hay
varios proyectos bajo consideración, incluyendo un parque eólico de 200MW en
Ipapure.1
Por otro lado el registro de tres proyectos de generación de energía eólica ante la Unidad de Planeación Minero Energética (UPME), puede interpretarse como una muestra de que la ley 1715, o de energías renovables, empezó a dar sus frutos.
Se trata de tres parques eólicos ubicados en el municipio de Urbia en La Guajira, propuestos por la empresa Jemeiwaa Ka’i S.A.S: Casa Eléctrica, Irraipa y Carrizal.
Los tres están en primera fase, lo que significa que aunque no se ha definido la factibilidad económica del proyecto, ya se ha solicitado a la autoridad ambiental correspondiente su concepto con respecto a la necesidad de hacer un diagnóstico ambiental de alternativas, un estudio de impacto ambiental o ninguno de los dos.
El parque eólico Carrizal, es el que tendría mayor capacidad, se estima que podría generar 195 megavatios.
El segundo proyecto de mayor capacidad estimada es Casa Eléctrica, que podría generar 180 megavatios de capacidad. Y el más pequeño, en cuanto a capacidad de generación, es el parque eólico Irraipa, que podría generar 99 megavatios.
Actualmente la única planta eólica que tiene Colombia está ubicada en La Guajira, y es básicamente un proyecto piloto de EPM, que tiene 19,5 megavatios de potencia nominal.
Según UPME la instalación de estos 474 megavatios eólicos en Uribia, reemplazarían unos 250 megavatios de generación térmica a base de carbón, o también podría desplazar a unos 300 megavatios de capacidad térmica.
5.1.1.2. Datos sobre variables de generación de energía eléctrica en el mercado colombiano.
1 https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADas_renovables_en_Colombia#cite_ref-ESMAP_2-1
Los datos muestran que las centrales hidroeléctricas tienen una participación de
70,49% del total y en segundo lugar se ubican las centrales térmicas (gas y carbón), las
cuales alcanzan de manera agregada el 18,35%.
Tabla 1: Capacidad instalada por tecnología
Capacidad por tecnología
Tecnología Potencia
(MW)
Participación (%)
Hidráulica 10.919,8 70,39%
Térmica Gas 1.684,4 10,86%
Térmica Carbón
1.172,0 7,55%
Líquidos 1.366,0 8,81%
Gas Líquidos 276,0 1,78%
Viento 18,4 0,12%
Biomasa 77,2 0,50%
Total 15.513,7 100%
Fuente de datos: Sistema de información de XM Fuente de tabla: UPME
5.1.2. Energía eólica en Latinoamérica.
Brasil, una de las economías emergentes más importantes del mundo y se ha convertido ya en el tercer mercado más importante a nivel global en la adquisición de equipos eólicos. El informe de la Asociación Mundial de la Energía Eólica (World Wind Energy Association, WWEA) señala que en Latinoamérica y el Caribe, Brasil el país que más está impulsando la industria de la energía eólica, seguido de México, Chile, Argentina, Costa Rica y Nicaragua. Cabe destacar que México utiliza sólo 3.2% de su capacidad potencial para producir energía a partir de la fuerza de los vientos y en la próxima década se proyectan inversiones que excederán 20,000 millones de dólares en el sector.
Chile continúa destacado como líder en energías limpias. Recientemente se anunciaron planes de inversión que supera los mil 220 millones de dólares, proyectos eólicos que buscan transformar a la provincia del Bío Bío, en una Mecca de la energía eólica del cono sur.
Argentina también ha venido incrementado la implementación de energía eólica la que genera 200 megavatios energía. La empresa de Energía Eólica Abo Wind tiene previsto instalar 120 megavatios en 2015 de un total de 850 megavatios que tienen planeado generar en todo el país.
En cuanto Centroamérica Nicaragua y Costa Rica llevan la delantera. La publicación Energía Limpia XXI informó que Nicaragua es el sexto país de Latinoamérica y el Caribe que más aprovecha la energía eólica. El país centroamericano cuenta con 4 parques eólicos y cubre un promedio de 20% de la matriz energética con energía eólica, eliminado 100.000 toneladas de emisiones de CO2 anuales2.
5.1.3. Energía eólica en el mundo.
En 2013 España logró un hito que no debe perderse de vista. El país se convirtió en el
primero del mundo en el que la energía eólica se situó como la primera tecnología de
generación de electricidad a lo largo de un año completo. Este hito se logró después de
que, de enero a diciembre de ese año, la cobertura de la demanda eléctrica eólica
alcanzase el 20,9% y de que la generación anual, la más alta de la historia, fuese
equivalente al 90% del consumo de los hogares españoles.
Así, la por una décima superó a la registrada por la segunda tecnología, que fue la
nuclear, con un 20,8%. La producción eólica fue de 54.478 gigavatios hora (GWh) en el
año, la más alta de la historia, lo que supone un aumento del 13,2% respecto a 2012.
Durante los últimos seis meses la energía eólica genero 31,7 teravatios hora. O lo que
es lo mismo, la energía suficiente para abastecer unos 18 millones de hogares.
Queda claro que España está a la cabeza de esta energía en el mundo, pero vamos a
ver cuál es el panorama en el conjunto del planeta. En el siguiente gráfico puede
apreciarse el espectacular crecimiento de la energía eólica en el planeta a lo largo de
los últimos 15 años. Así, mientras en 119, la potencia instalada era de 2,1 Gigavatios
(GW), esa cifra era en 2012 –últimos datos disponibles del Global Wind Energy Council
(GWEC) de 284.
2 https://energialimpiaparatodos.com/2014/09/28/brasil-y-mexico-lideres-en-energia-eolica-en-latinoamerica/
Evolución de la energía eólica instalada en el mundo en la última década. GWEC.
En el mundo, China es el país con más parques eólicos y potencia procedente de la
energía eólica, con 75.564 MW a finales de 2012. El crecimiento de China ha tenido
lugar de forma espectacular en los últimos 10 años. Le sigue Estados Unidos a mayor
distancia, Alemania y España3
5.2. Marco de antecedentes.
El Atlas de Viento y Energía Eólica en Colombia (2006) es un referente para el estudio del comportamiento de los vientos, pero realmente no existen trabajos sobre la velocidad de los vientos, en relación con la zona de la Orinoquia específicamente en el municipio de Saravena que se encuentra entre 200 y 1000 m sobre el nivel del mar, tampoco se encuentra u registro sobre su potencialidad de aprovechamiento para generación de energía eléctrica por sistemas autónomos. Los trabajos en este sentido,
3 http://www.geografiainfinita.com/2014/01/la-energia-eolica-en-el-mundo-europa-y-espana/
hasta ahora realizados en Colombia, han sido para las zonas costeras (Guajira), zonas bajas y cálidas (Cúcuta) y la isla de Providencia. Dada la velocidad de los vientos encontrada (>5 m/s en varios meses del año), se considera que deben realizarse estudios de factibilidad para el aprovechamiento de la energía eólica en todo el del piedemonte llanero, subregión de Colombia, que se caracteriza por ser el límite entre las cordilleras y los Llanos Orientales. Se ubica en las estribaciones de la Cordillera Oriental y abarca parte de los departamentos de Arauca, Boyacá, Casanare, Meta y Caquetá.4
En esta zona del Nororiente colombiano se sostiene una economía basada en la ganadería, cultivos de plátano, yuca, arroz, así como la explotación petrolera. Por esta razón es importante evaluar algunos tipos de energías alternativas que ayuden a disminuir el efecto invernadero.
6. Marco teórico y conceptual.
Para el desarrollo de la siguiente investigación se parte del estudio del viento en su comportamiento, tipos de vientos, la velocidad del viento y las variables que la determinan y el viento como energía alternativa potencialmente aprovechable, así mismo el diseño y ensamble de un aerogenerador con algún tipo de material reutilizable .
6.1. El recurso eólico.
El recurso para la generación de energía eólica es el viento, el cual es generado por corrientes de aire debido al desigual calentamiento de la superficie de la tierra. Así, la no uniformidad del flujo de radiación solar incidente hace que unas zonas se calienten más que otras, provocando movimientos convectivos de la masa atmosférica. El aire calienta asciende, arrastrando aire más frío proveniente de una región vecina. Al subir se enfría, por lo que aumenta su densidad, descendiendo para volver a repetir el ciclo. Así, el viento es una masa de aire en movimiento, y como tal, contiene una cierta energía cinética.
El fenómeno real es más complejo, ya que la Tierra se mueve sobre su eje. Además, hay una distribución aleatoria de las nubes sobre la superficie y la inercia térmica de los océanos es distinta a la de los continentes, lo que crea gradientes variables con el día y la noche.
6.1.1. Aprovechamiento del viento.
La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59 %) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador.5 Pero es necesario 4 Atlas de Viento y Energía Eólica en Colombia 5 Albert Betz en 1919. Su libro "Wind-Energie", publicado en 1926,
preguntarnos ¿de dónde proviene esta energía? La energía del viento se origina por la energía radiante proveniente del sol la cual se convierte en energía térmica al ser absorbida por la atmosfera terrestre. Ahora bien en cada uno de los pasos que implica la conversión se van originando una serie de pérdidas, de aquí que solo un pequeño porcentaje de se convierta en viento, sumado a estos se debe tener en cuenta que no se puede extraer toda.
6.1.2. Velocidad del viento.
Las ventajas que tiene la energía eólica es la de no ser agresiva con el medio ambiente y su carácter inagotable, pero hay que tener en cuenta que tiene algunos inconvenientes debido a su comportamiento disperso y aleatorio. El gradiente depende de la diferencias de presiones y su movimiento está directamente relacionado con el giro de la tierra.
La velocidad del viento es ejemplo típico de una magnitud vectorial y ésta varía en forma constantemente en módulo, dirección y sentido, teniendo unos valores medios que oscilan 3 y 7m/seg. Sin embargo, influyen otros factores como la altitud y la topografía del terreno, teniendo mayores velocidades en las altas montañas, los valles y las regiones costeras.
Una forma de visualizar la dirección del viento es el gráfico llamado rosa de los vientos. Para elaborarlo se reparten los 360 grados en de un ángulo giro en partes iguales como 8, 12, 16, divisiones asociando los puntos cardinales dibujando la dirección que posee el viento en algún intervalo de tiempo, de esta forma se consigue determinar la dirección dominante de los vientos
6.2. Medición del viento.
Para realizar una correcta medición del viento, se debe medir tanto su velocidad como su dirección. Por ello, serán necesarios un anemómetro y una veleta respectivamente.
Además, hay que tener en cuenta que datos obtenidos durante una campaña de medición de un mes son poco representativos, dada la variabilidad del viento. Para que los datos sean representativos, la información eólica debe ser de periodos entre 25 y 30 años, aunque si esto no es posible los datos recogidos entre 5 y 10 años ya comienzan a ser bastante representativos.
6.2.1. Medida de la velocidad: Anemómetro.
Los anemómetros son instrumentos para medir la velocidad del viento. Éstos miden la velocidad instantánea del viento, sin embargo, las ráfagas de viento desvirtúan la medida que recogen si lo que se quiere es tener una idea de velocidades medias. Por ello, para conocer velocidades medias lo mejor es realizar diferentes mediciones en
intervalos de unos 10 minutos y tomar como medida válida el valor medio de todas las mediciones llevadas a cabo.
Hay diferentes tipos de anemómetros:
- Anemómetro de rotación: dispone de cazoletas o hélices unidas al eje central, cuyo giro es proporcional a la velocidad del viento y se queda registrado. En el caso de los anemómetros magnéticos, este giro activa un diminuto generador eléctrico para dar una medida mucho más precisa.
- Anemómetro de compresión: se basa en el tubo de Pitot y está formado por dos pequeños tubos. Uno de ellos cuenta con un orificio frontal (que mide la presión dinámica) y otro lateral (que mide la presión estática). El otro tubo sólo cuenta con un orificio lateral. La diferencia entre las presiones medidas permite determinar la velocidad del viento.
Para el caso de esta investigación el anemómetro fue construido de mareta muy elemental lo que indica que puede tener un margen de error considerable. Para investigaciones con fines comerciales o industriales los anemómetros deber ser muy precisos, y bien calibrados.
6.2.2. Medida de la dirección: Veleta
Para la medición de la dirección del viento se utiliza la veleta, la cual suele colocarse próxima al anemómetro, todo en la misma torre. Como ocurría con la velocidad, la dirección sufre muchas fluctuaciones, por lo que el sistema tiene que ser capaz de determinar una dirección media. Para ello, suelen hacerse lo mismo que en el caso de la velocidad, se promedian valores instantáneos de dirección de la velocidad que se toman aproximadamente cada 10 minutos.
6.2.3. Ubicación del sistema de medida.
El conjunto de anemómetro y veleta se coloca en un mástil a una altura estándar que suele ser 10 metros, para evitar perturbaciones del propio suelo. La torre del mástil suele ser un poste cilíndrico delgado y tensado por cables o vientos para evitar el apantallamiento de la torre.
Además, el lugar debe estar despejado para que los objetos no perturben las mediciones realizadas, ya que normalmente un objeto de altura h perturba el flujo de
aire una distancia 2h si está a barlovento y entre 10h y 20h si está a sotavento. Además, en vertical la perturbación puede llegar a alcanzar una altura de 2h. Así, lo ideal es colocar los sensores en lugares cuyo horizonte no presente obstáculos en un radio de unos 300 metros, ya que edificios, bosques o irregularidades en el terreno pueden llegar a provocar distorsiones importantes en la toma de medidas.
En el caso de aerogeneradores de gran potencia, anemómetro y veleta se colocan a una altura de 50 metros, que es la altura a la que se encuentra el eje del generador. De esta forma las medidas tomadas serán mucho más fiables.
6.3. Característica energética del viento.6.3.1. Variación de la velocidad del viento con la altura.
La velocidad del viento varía con la altura, debido principalmente a las turbulencias tanto de origen mecánico (causadas por las irregularidades de la superficie del terreno) como de origen térmico (causadas por el gradiente de temperatura del aire que provoca corrientes convectivas en sentido vertical).
Como en general la influencia del gradiente de temperatura del aire en una diferencia de altura de 100 metros (diferencia de altura razonable en el caso de los aerogeneradores de gran potencia) es pequeña no se tendrán en cuenta los efectos de las turbulencias térmicas, y solamente se tendrán en cuenta los efectos de las irregularidades de la superficie del terreno.
Conforme nos separamos del terreno, los efectos de rozamiento disminuyen y por lo tanto, la velocidad del viento aumenta. Así, se tiene un gradiente o variación de la velocidad con la altura, y se habla del perfil vertical de la velocidad del viento. La variación de la velocidad del viento con la altura depende de la rugosidad que tenga el terreno. Así, se tienen superficies lisas (con agua, terrenos llanos, llanuras nevadas,…), el gradiente de velocidad es suave. Sin embargo, si se tienen superficies con gran rugosidad (terrenos con edificaciones urbanas, superficies boscosas,…) el gradiente de velocidad será mayor.
6.3.2. Variación de la velocidad del viento con la orografía del terreno.
El relieve del terreno también es otro factor a tener en cuenta en la influencia sobre la velocidad del viento. Las elevaciones de terreno (montañas, colinas, acantilados,…) pueden aumentar la velocidad del viento si tienen pendientes suaves o pueden disminuirla si son con pendientes fuertes o crestas.
Así, para instalar un aerogenerador los lugares más adecuados son las colinas suaves con pendientes escasas de alta vegetación u obstáculos, ya que de esta forma se consigue aumentar la velocidad del viento (aceleración) y también los acantilados o colinas próximas al mar con suaves pendientes.
Sin embargo, los lugares menos adecuados para la instalación de estas máquinas son los acantilados y escarpados con fuertes pendientes, ya que se forman turbulencias que además de reducir la energía que puede producir el aerogenerador, crean esfuerzos mecánicos de fatiga que hacen reducir la vida útil de la máquina.
6.3.3. Variación de la velocidad del viento con la existencia de obstáculos.
Los obstáculos (edificios, árboles, accidentes en el terreno,…) provocan una disminución de la velocidad del viento, así como un aumento de las turbulencias. Por lo que a la hora de instalar grandes centrales eólicas se tendrá que tener en cuenta la presencia de obstáculos en un radio de 1km en la dirección dominante del viento.
6.4. Potencia eólica disponible: potencial eólico.
La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. La potencia en cambio se define como la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo. Por lo que ambas están relacionadas de la siguiente forma:
Potencia= energíatiempo
Una masa de aire con velocidad v posee una energía cinética Ec que viene dada por la expresión matemática
Ec=0,5mv2
El caudal másico de aire m de densidad ρ que fluye a través de una superficie de área A perpendicular a la dirección del flujo, viene dado por la ecuación de continuidad:
m=ρAvLa potencia disponible asociada al caudal de aire que atraviesa dicha sección es:
Pd=0,5 ρA v3
Donde: Pd es Potencia disponible.ρ: densidad de aire.A: área barrida por las palas V: velocidad del viento.
6.5. Cálculo de la velocidad del viento.Si las RPM son las veces que gira un elemento sobre sí mismo un punto ubicado en la superficie de dos ejes de diferente radio, pero que giran a las mismas RPM, la velocidad de giro de los puntos será distinta siendo mayor cuanto mayor sea el radio, para medir la velocidad se usa la velocidad tangencial o lineal, que corresponde a la velocidad real de un punto que gira con un movimiento circular (radio constante) y se mide en metros por segundo.
v t=ωRdonde :v t : velocidad tangencial ω : velocidad angular (RPM )R :radio
La velocidad angular indica la variación del desplazamiento angular por unidad de tiempo se mide en rad/seg (radianes sobre segundos). Cuando se habla de velocidad de una eje, suele indicarse en RPM que son revoluciones por minuto son una unidad de frecuencia usada para medir dicha velocidad. Se entiende por revolución: una vuelta de un elemento que gira sobre su propio eje.
6.6. Velocidad de rotación del rotor.
La velocidad a la que gira el rotor se utiliza la expresión:
λ=ωRv
Donde:
λ: Velocidad específica (velocidad tangencial de la pala/ velocidad del viento).ω: Velocidad angular [rad/seg].R: radio del rotor de aerogenerador.v : Velocidad del diseño del viento.7. Marco metodológico.
7.1. Tipo de investigación.
Estimar la potencia energética del viento (energía eólica) como variable independiente a partir de las mediciones de su velocidad en una zona ubicada en la Orinoquía colombiana, se trata de una investigación experimental. Intervienen en ella variables como: altura sobre el nivel del mar, densidad del aire, humedad relativa, temperatura, rigurosidad del terreno, las horas del día, variación del viento, altura sobre la superficie, así como los instrumentos utilizados. Por tal razón la investigación se enmarca dentro del tipo cuantitativa, dado que se toma como base la medida de la velocidad del viento en m/s y a partir de ella calcular la potencia energética del mismo en watt/m2. Incluye también el tipo exploratoria porque en igual media se diseñaron y ensamblaron aerogeneradores con material reutilizable que permitieron la generación de energía eléctrica.
7.2. Método de investigación
El presente trabajo de investigación se planteó y desarrolló de acuerdo a la metodología que se sintetiza en la figura. La ubicación geográfica se establece en el piedemonte llanero exactamente en el departamento de Arauca, municipio de Saravena desde los 100 a los 300 metros sobre el nivel del mar. La investigación se plantea sobre la idea del ahorro constante de energía eléctrica que estaba proponiendo el gobierno nacional debido a un inminente racionamiento ya que el país estaba afrontando una de las sequías más grandes de los últimos años debido al fenómeno del niño. Entonces se plantean interrogantes como: ¿Con el ahorro de energía se soluciona el problema?, ¿Qué aportes se pueden ofrecer como estudiantes de una institución educativa?, ¿Es posible generar energía alternativa dentro de la misma institución?, ¿Cómo se puede adaptar material reutilizable para aportar a una solución? A partir de estos elementos se identifica el problema y se trazan algunos objetivos para inicializar un proceso de investigación.
METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO Y MONITOREO DEL POTENCIAL DE ENERGÍA EÓLICA COMO ALTERNATIVA EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON AEROGENERADORES DISEÑADOS EN MATERIAL REUTILIZABLE EN LA I.E. JOSÉ EUSTASIO RIVERA DE SARAVENA ARAUCA.
7.3. Procedencia de la investigación.
Realizar un monitoreo continuo con el fin de identificar y comprender los factores de mayor o menor importancia en la estimación del potencial de generación de energía eólica y la energía eléctrica que se puedo generar con los aerogeneradores ensamblados en material reutilizable es necesario recurrir al material bibliográfico como textos, revistas, la Internet. Para el desarrollo de la investigación se tuvieron en cuenta fuentes primarias como secundarias.
7.3.1. Fuentes primarias.
Observación directa sobre la zona de monitoreo: velocidad del viento, dirección del viento, temperatura, potencial de energía eólica, energía eléctrica.
Experiencia directa sobre la adecuación de los elementos de necesarios para la investigación: veleta, anemómetro, aerogeneradores, soportes.
7.3.2. Fuentes secundarias
Consultas bibliográficas para la conceptualización y manipulación de datos Realización de tablas. Herramientas tecnológicas e informáticas
7.4. Ubicación de la estación de monitoreo.
La estación de monitoreo se ubica en la terraza del primer bloque de salones de la I.E. Técnico Comercial José Eustasio Rivera del municipio de Saravena Departamento de Arauca, ubicado en el barrio Ciudadela Universitaria Figura () los datos correspondientes a sus coordenadas altura sobre el nivel del mar temperatura promedio fueron tomados de mediante imágenes satelitales obtenidas por el programa Google Earth con el fin de tener mediciones precisas.
METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO Y MONITOREO DEL POTENCIAL DE ENERGÍA EÓLICA COMO ALTERNATIVA EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON AEROGENERADORES DISEÑADOS EN MATERIAL REUTILIZABLE EN LA I.E. JOSÉ EUSTASIO RIVERA DE SARAVENA ARAUCA.
7.5. Diseño y ensamble de los instrumentos en material reutilizable.7.5.1. Aerogeneradores.
Las características generales de una turbina eólica pueden variar según el tipo de motor o generador que se le instale, pero generalmente se usan de unos 12v de tensión eficiente.Una vez realizadas numerosas consultas bibliográficas en Internet, se puede determinar que todos los aerogeneradores tienen algunos elementos comunes para cualquier diseño.
Un generador eléctrico: Usualmente se utilizan motores de algunos electrodomésticos antiguos, en este proyecto se tomó la bomba de drenaje de una lavadora, su estructura interna formada por embobinado técnicamente diseñado y su tambor giratorio provisto de un imán muy potente que permite
la generación de energía por inducción electromagnética. Se optó por este elemento porque es muy sencillo de conseguir, pues su vida útil en las lavadoras es de seis a diez años entonces en cualquier taller de mantenimiento se pueden encontrar en muchas cantidades.
Soporte para el generador
Estas dos piezas en forma de u, están hechas en aluminio, metal que posee unas características importantes y aportan muchas ventajas al diseño. Es liviano muy fuerte y de larga duración, no es toxico, además es de fácil manejo y resiste a la corrosión resultando especialmente útil para este tipo elementos que deben experimentar grandes fuerzas debido a las velocidades del viento.
Sistema rotor y acondicionamiento del tambor giratorio
Para el anclaje de las palas fue necesario realizar algunos cambios al modelo original, debido a que el eje central del tambor giratorio de la bomba es muy pequeño y no permite adherirle una prolongacion de la barrilla central ya que no resiste el cambio de temperatura al soldarse y se quiebra, una forma de solucionar esté incoveniente es cambiar dicha pieza por un tornillo que facilite el acople del soprte de las palas, sin embargo ese tornillo genera dificultades porque cuando entra en contacto con el campo magnetico del imán inmeditamente infiere en la velocidad de rotación del sistema, esta dificultad se supera al hacer un recubrimiento con un material que aisle un poco dicho campo con la parte que esta en contacto con el imán, asi como viene diseñado el tambor original.
Sistema rotación.
El sistema que permite al aerogenerador el giro para estar posicionado siempre en la dirección del viento. Utilizando como rotor un motor de impresora, su diseño y ensamble son sencillos, además aporta vistosidad al producto final.
Palas y su soporte.
Clasificadas en: Palas tipo A: se utilizaron las aspas plásticas normales de un ventilador, muy útiles para este proyecto, no es necesario adicionarles soportes extras lo que las hace muy livianas entonces adquieren mayor velocidad aun si la corriente del viento es leve. El área del círculo barrido corresponde a:
πr2 = 0,126 m2
Donde r es la longitud desde el centro del soporte hasta la punta de la pala
Palas tipo B: Para lograr un efecto muy cerca al modelo original de un aerogenerador se construyeron con un tubo de PVC de 3 pulgadas de diámetro y de 60 cm de largo que permitió cortar 3 palas. Este tipo requieren menos velocidad del viento para empezar a girar, pero debido al peso que adiciona el soporte no toma la suficiente velocidad, entonces no son muy recomendables para el proyecto.
El área del círculo barrido corresponde a.πr2 = 1,507 m2
Donde r es la longitud desde el centro del soporte hasta la punta de la pala.
El timón de orientación: Este elemento esencial en todo aerogenerador porque permite que las palas siempre este en posición a la velocidad del viento además se utilizó para dar equilibrio al sistema, ya que las palas van en la posición opuesta.
Sistema de control eléctrico.
Para este sistema se utilizó un puente rectificador de diodos con un circuito que permite duplicar el voltaje. Compuesto cuatro diodos y dos condensadores de 25 v y 4700μF
7.5.2. Anemómetro y veleta La veleta: Para su diseño se utilizaron tubos de 1 pulgada en aluminio como cuerpo, una balinera de patines de una pulgada de diámetro para su sistema de rotación y su hoja se diseñó en un material liviano parecido al polietileno para un mejor desempeño en las alturas.
El anemómetro: Para su diseño se utilizó un motor de impresora como sistema de rotación dos pelotas plásticas y cuatro rayos de rueda de una bicicleta una arandela plástica para enchazar los rayos. Para su diseño se utilizó un motor de impresora como sistema de rotación
7.6. Monitoreo de la velocidad del viento y energía generada durante un mes.
7.6.1. Identificación de la estación de monitoreo JER.
De acuerdo la Organización Meteorológica Mundial, cualquier tipo de información climatológica registrada en una estación meteorológica debe estar fundamentada y documentada de tal forma que los usuarios finales de dicha información puedan estar seguros y confiados de la exactitud y precisión con que fueron tomados los datos. Es por ello que la OMM ha desarrollado un documento titulado “Guidelines on climate metadata and homogenization” (Enric Aguilar, 2003) el cual brinda algunas pautas y directrices para instituciones e investigadores que hagan uso de información climatológica, con el fin de que todos los parámetros puedan ser estandarizados y comparados entre sí independientemente de las variaciones en el tiempo o la ubicación geográfica en que hayan sido registrados.
METADATO DESCRIPCIÓNNombre Estación “JER”Código Eólica JerBloque 1Fecha Apertura/Cierre Apertura: 1 abril de 2016 - Cierre: 15 Mayo de 2016.Tipo de estación Monitoreo del viento con fines de estimación del potencial eólicoCoordenadas 6° 57′ 17″ N,71° 52′ 36″ WElevación 200 y 1000 m.s.n.m.Geografía de la zona El municipio de Saravena se halla localizado en la Orinoquia
colombiana, noroccidente del departamento de Arauca. Y representa uno de los paisajes más complejos en términos de su biodiversidad, de su conformación fisiográfica, de sus procesos culturales y de su dinámica de poblamiento. La unidad geográfica está comprendida en la “Unidad Andina Orinocense”, que comprende la vertiente de la Cordillera Oriental, que integra el Piedemonte, montañas, nieves y páramos.6
Tipo de suelo Asociación Saravena. Fluventic dystropept / Typic troposamment / Typic troporthent / Aquic dystropept. Superficiales limitados por piedras en los conos. Moderadamente profundos en los glacis. Bien drenado. Textura gruesa. Baja fertilidad y reacción ácida7
Parámetro(s) monitoreados
Dirección y Velocidad promedio del viento.
Unidades Dirección: Está dada ° siendo el norte 360 º; Velocidad: En m/s.Equipo utilizado Diseñados y construidos por los autoresResponsables Grupo de investigación Air & Energy
7.6.2. Recolección de datos.
5.6.2.1 . Taller de procedimiento para calcular la velocidad del viento.
Se programa una actividad donde los integrantes del grupo aprenden una serie de estrategias para utilizar los instrumentos (anemómetro, veleta) y con ellos medir la velocidad y dirección del viento. Ver anexo 1.
6 https://www.google.com.co/?gws_rd=cr&ei=Cx4mV7W2NYK4eYyZjJAK#q=saravena+arauca7 Plan Básico de ordenamiento territorial Diagnostico
5.6.2.2 . Monitoreo de la velocidad y dirección el viento durante un mes, cinco por veces al día a una altura de 10 metros.
Se recolectaron los datos y se agruparon teniendo en cuenta el formato de la tabla Anexo 2.
Altura 10m
Velocidad del viento m/seg
1 2 3 4 5 6 7 8
Fecha Hora T. °C N NW W SW S SE E NE
01/044:10 pm
a4:30 pm
35° 1,631,78
1,89
1,50
1,43
Así sucesivamente hasta completar los treinta días del mes de abril
La siguiente tabla muestra el conglomerado de los 150 datos correspondientes a igual número de observaciones de la velocidad del viento y su respectiva dirección.
Datos de velocidades m /seg ( 10 metros de altura)
1,78 1,85 1,25 1,7 1,93 1,87 1,79 1,59 1,69 1,79
1,63 1,78 1,12 1,68 1,89 1,9 1,52 1,9 1,59 1,48
1,5 1,55 1,08 1,55 1,92 1,76 1,62 1,23 1,84 1,73
1,89 1,68 1,55 1,75 1,95 1,7 1,61 1,51 1,65 1,65
1,43 1,4 1,5 1,57 1,94 1,79 1,86 1,35 1,69 1,39
1,89 1,86 1,9 1,22 1,46 1,09 1,49 1,99 1,39 1,84
1,98 1,73 1,82 1,33 1,56 1,32 1,42 1,8 1,45 1,71
1,3 1,9 1,9 1,49 1,6 1,22 1,65 1,83 1,44 1,65
1,2 1,92 1,98 1,58 1,87 1,31 1,51 1,81 1,55 1,59
1,97 1,04 1,89 1,34 1,75 1,11 1,56 1,95 1,24 1,5
1,2 1,9 1,5 1,41 1,23 1,49 1,39 1,79 1,67 1,25
1,32 1,8 1,56 1,38 1,43 1,62 1,62 1,82 1,53 1,14
1,41 1,85 1,68 1,5 1,65 1,32 1,43 1,93 1,24 1,35
1,32 1,73 1,78 1,56 1,39 1,41 1,47 1,75 1,75 1,29
1,3 1,95 1,7 1,44 1,56 1,81 1,23 1,96 1,69 1,4
Las velocidades tienen su dirección respectiva, para mayor comodidad y manipulación, aquí solo mostramos el conglomerado
Dirección del viento a 10 metros de altura
N NW W SW S SE E NE
Nro. de veces que se repitió 12 15 13 33 29 24 19 5
Promedio de la velocidad m/se 1,57 1,62 1,63 1,61 1,61 1,58 1,54 1,58
5.6.2.3 . Monitoreo de la velocidad y dirección el viento durante un mes, cinco por veces al día altura de 15 metros.
Se recolectaron los datos y se agruparon teniendo en cuenta el formato de la tabla Anexo 2.
Altura 15m
Velocidad del viento m/seg
1 2 3 4 5 6 7 8
Fecha Hora T. °C N NW W SW S SE E NE
01/044:10 pm
a4:30 pm
35°1,6
1,73
1,99
1,88
1,53
Así sucesivamente hasta completar los treinta días del mes de abril
La siguiente tabla muestra el conglomerado de los 150 datos correspondiente a igual número de observaciones de la velocidad del viento y su respectiva dirección.
Datos de velocidades m /seg ( 15 metros de altura)
1,88 1,94 1,33 1,79 2,03 1,93 1,83 1,66 1,7 1,8411,73 1,64 1,2 1,77 1,99 1,96 1,56 1,97 1,6 1,531
1,6 1,87 1,16 1,84 2,02 1,82 1,66 1,3 1,85 1,781
1,99 1,77 1,63 1,64 2,05 1,76 1,65 1,58 1,66 1,701
1,53 1,49 1,58 1,66 2,04 1,85 1,9 1,42 1,7 1,441
2,09 1,93 1,97 1,52 1,6 1,43 1,518 2,56 1,41 1,918
2,18 1,8 1,89 1,36 1,5 1,66 1,448 2,37 1,47 1,788
1,5 1,97 1,97 1,25 1,64 1,56 1,678 2,4 1,46 1,728
1,4 1,99 2,05 1,61 1,91 1,65 1,538 2,38 1,57 1,668
2,1 1,11 1,96 1,37 1,79 1,45 1,588 2,52 1,26 1,578
1,6 2,03 1,54 1,48 1,276 1,69 1,42 1,85 1,758 1,319
1,72 1,86 1,62 1,45 1,476 1,82 1,65 1,88 1,618 1,209
1,7 1,93 1,72 1,57 1,696 1,52 1,46 1,99 1,328 1,419
1,81 1,98 1,74 1,51 1,436 1,61 1,5 1,81 1,838 1,359
1,72 2,08 1,82 1,63 1,606 2,01 1,26 2,02 1,778 1,469
Las 150 velocidades observadas cada una de ellas tienen su dirección respectiva para mayor comodidad y manipulación de los datos aquí solo mostramos el conglomerado del comportamiento de las 150 direcciones.
Dirección del viento a 15 metros de altura
N NW W SW S SE E NE
Nro. de veces que se repitió
12 15 13 33 29 24 19 5
Promedio de la velocidad en m/se
1,684 1,702 1,801 1,755 1,704 1,665 1,623 1,641
7.6.3. Estimación del potencial de generación de energía Eólica.
A continuación se ilustran los pasos y los procedimientos llevados a cabo con el fin de analizar el comportamiento eólico de la zona de la I.E. José Eustasio Rivera Saravena Arauca, a partir de los datos registrados en la estación de monitoreo del viento instalada. Los datos fueron analizados en series diarias durante un ininterrumpido de un mes. Los cálculos, tablas y gráficos en su gran mayoría fueron realizados mediante el programa Microsoft Excel.
Organización de los datos del viento. Con base en la información promedio horaria de velocidad del viento se guardaron los datos por período de mes en archivos de Excel en donde se organizaron los valores promedio de velocidad del viento para el periodo comprendido del 1 al 30 del mes, tomando como referencia dos alturas previamente establecidas de 10 y 15 metros. La observación se llevó a cabo de manera simultánea. En total fueron 150 minutos, representando cinco observaciones diarias de un minuto a respectivamente. Ver Anexo 2.
Cálculo de distribución de frecuencias del viento. Con el fin de analizar la distribución de frecuencias de la velocidad del viento, se tomaron los datos recolectados en un mes, para luego ordenarlos en una sola columna de menor a mayor y posteriormente clasificarlos en intervalos. En el Anexo 3 se muestra el formato de la tabla utilizada para el cálculo de la distribución de frecuencias normal y acumulada
Cálculo de la velocidad media del viento. Se obtuvo de la gráfica de distribución de frecuencias.
Cálculo de la potencia eólica expresada en vatios. En el anexo 4 se muestra el procedimiento seguido.
Estimación de la energía producida. Para la estimación de la cantidad de energía eléctrica que potencialmente podría generarse con los datos de velocidad del viento registrados en la estación de monitoreo del viento. En el anexo 4 Se muestra el procedimiento.
Análisis de la dirección del viento. Para analizar las variaciones en la distribución de la velocidad y dirección de las corrientes de aire en el punto de estudio, se realizaron las rosas de los vientos para cada mes por medio del programa
WRPLOT VIEW – FREEWARE el cual es bastante útil y práctico a la hora de ejecutar este tipo gráficos.
8. Análisis de datos
8.1. Análisis de la variación de la velocidad del viento.
Se analizaron los valores promedios de Velocidad del Viento obtenidos a partir de las estaciones de monitoreo del viento en la zona de estudio de la I. E. José Esutasio Rivera de Saravena - Arauca, durante el período comprendido entre 1-30 de abril de 2016 en dos alturas específicas 10 y 15 metros, esto con el fin de estandarizar el intervalo de análisis de los datos en cuanto a velocidad y dirección del viento.
8.1.1. La siguiente tabla muestra el análisis estadístico de datos agrupados para las velocidades recolectadas a 10 metros de altura
Para los datos recolectados a 10 metros de altura
Vmax Vmin Rango N° de intervalos Amplitud
1,99 1,04 (1,99 – 1,04) = 0,95 √150=12,2 (0,95/12,2) =0,079
N° Lim Inf Lim Sup Xi fi Fi fi% Fi % Fi*Xi
1 1,04 1,12 1,08 4 4 2,67 2,7 4,32
2 1,12 1,20 1,16 2 8 2,67 5,3 4,64
3 1,20 1,28 1,24 11 17 6,00 11,3 11,14
4 1,28 1,36 1,32 12 29 8,00 19,3 15,81
5 1,36 1,44 1,40 14 45 10,67 30,0 22,34
6 1,44 1,52 1,48 16 59 9,33 39,3 20,66
7 1,52 1,59 1,55 13 72 8,67 48,0 20,21
8 1,59 1,67 1,63 14 86 9,33 57,3 22,87
9 1,67 1,75 1,71 14 100 9,33 66,7 23,98
10 1,75 1,83 1,79 18 118 12,00 78,7 32,26
11 1,83 1,91 1,87 19 137 12,67 91,3 35,55
12 1,91 1,99 1,95 13 150 8,67 100,0 25,36
Total 150 100,00 239,44
8.1.2. Diagrama de barras.
8.1.3. Velocidad media de viento a 10 metros de altura.
Los datos que se utilizan en el cálculo de la velocidad media del viento a una altura de 10 metros se extraen directamente de la tabla de distribución de frecuencia y corresponden a la siguiente expresión matemática.
x=∑ xi∗fin
=239,44
150=1,596 m
seg
8.1.4. Cálculo de la varianza y desviación estándar Varianza es una medida de dispersión que calcula el promedio de las desviaciones de la media elevadas al cuadrado
σ 2=∑ (xi−x )2∗fin
=8,58150
=0,05722
Desviación estándar o desviación típica es la raíz de la varianza
σ=√∑ (xi−x )2∗fin
=√ 8,58150
=0,2392
8.1.5. Cálculo de la potencia eólica media expresada en vatios.
A partir de los datos obtenidos a 10 metros de altura se tiene que la potencia media del viento disponible (con el aerogenerador de Palas tipo B de longitud 69,37cm)
Pm=0,5 ρA vm3 =0,5∗1,3 kg
m3∗1,507m2∗(1,596 mseg )
3
=3,988 w /m2
Donde: Pm: es potencia media.ρ :es la densidad del aire en kg/m3A: área barrida por las palas Vm: velocidad media.
De manera similar se realizó con los aerogeneradores con palas tipo A de longitud 20 cm
Pm=0,5 ρA vm3 =0,5∗1,3 kg
m3∗0,126m2∗(1,596 mseg )
3
=0,333w /m2
8.1.6. Estimación de la energía producida.
A partir de los datos de la velocidad del viento analizados, se pueden estudiar las características técnicas de los aerogeneradores ensamblados.
Especificaciones del aerogenerador a 10 metros de altura
Fuente: Autores
Arranque: 1,04 m/segVelocidad media: 1,596m/segVelocidad máxima: 1,99 m/segPotencia: 3,988 vatios/m2
Voltaje generado: 7 y 8Desviación estándar: 0,2392Número de nuestras: 150
8.1.7. Curva de potencia del aerogenerador
8.1.8. Rosa de los vientos.
El análisis de la dirección del viento se realiza con la ayuda del programa WRPLOT las variables que interviene para la generación de la gráfica son: año, mes, día, hora, velocidad y dirección. En las estaciones de monitoreo previamente establecidas las observaciones se hace las 24 horas del día, para este análisis en particular se han tomado día de cinco horas debido a que esas fueron los observaciones realizadas. (Ver Anexo 3)
De los datos recolectados se obtuvo la siguiente grafica denominada Rosa de los vientos.
8.2.
Análisis de los datos recolectados a 15 metros de altura.
De manera similar a lo efectuado para la altura de 10 metros se realizó el análisis obteniendo los siguientes resultados.
8.2.1. Tabla de distribución de frecuencias para el análisis estadístico a 15 metros de altura.
Para los datos recolectados a 15 metros de altura
Vmax Vmin Rango N° de intervalos Amplitud
2,56 1,11 (2,56 – 1,11) = 1,45 √150=12,2 (1,45/12,2) =0,12
N° Lim Inf Lim Sup Xi fi Fi fi% Fi % Fi*Xi
11,11 1,23 1,17 4 4 2,67 2,67 4,68
2 1,23 1,35 1,29 8 12 5,33 8,00 10,33
3 1,35 1,47 1,41 17 29 11,33 19,33 24,01
4 1,47 1,59 1,53 23 52 15,33 34,67 35,26
5 1,59 1,71 1,65 30 82 20,00 54,67 49,61
6 1,71 1,84 1,77 23 105 15,33 70,00 40,82
7 1,84 1,96 1,90 17 122 11,33 81,33 32,22
8 1,96 2,08 2,02 19 141 12,67 94,00 38,31
9 2,08 2,20 2,14 4 145 2,67 96,67 8,55
10 2,20 2,32 2,26 0 145 0,00 96,67 0,00
11 2,32 2,44 2,38 3 148 2,00 98,67 7,14
12 2,44 2,56 2,50 2 150 1,33 100,00 5,00
150 255,92
8.2.2. Diagrama de barras datos recolados para la velocidad del viento a 15 metros de altura.
8.2.3. Velocidad media de viento a 15 metros de altura.
Los datos que se utilizan en el cálculo de la velocidad media del viento a una altura de 15 metros se extraen directamente de la tabla de distribución de frecuencia y corresponden a la siguiente expresión matemática.
x=∑ xi∗fin
=255,92
150=1,71 m
seg
8.2.4. Cálculo de la varianza y desviación estándar
Varianza es una medida de dispersión que calcula el promedio de las desviaciones de la media elevadas al cuadrado
σ 2=∑ (xi−x )2∗fin
=10,67150
=0,0712
Desviación estándar o desviación típica es la raíz de la varianza
σ=√∑ (xi−x )2∗fin
=√ 10,67150
=0,2667
8.2.5. Cálculo de la potencia eólica media expresada en vatios.
A partir de los datos obtenidos a 15 metros de altura se tiene que la potencia media del viento disponible (con el aerogenerador de Palas tipo B de longitud 69,37cm)
Pm=0,5 ρA vm3 =0,5∗1,3 kg
m3∗1,507m2∗(1,71 mseg )
3
=4,898w /m2
De manera similar se realizó con los aerogeneradores con palas tipo A de longitud 20 cm
Pm=0,5 ρA vm3 =0,5∗1,3 kg
m3∗0,126m2∗(1,71 mseg )
3
=0,410 w/m2
8.2.6. Estimación de la energía producida.
A partir de los datos de la velocidad del viento analizados, se pueden estudiar las características técnicas de los aerogeneradores ensamblados.
Especificaciones del aerogenerador a 15 metros de altura
Fuente: Autores
Arranque: 1,1m/segVelocidad media: 1,71m/segVelocidad máxima: 2,56 m/segPotencia: 4,898 vatios/m2
Voltaje generado: 9 y 9,5Desviación estándar: 0,2667Número de nuestras: 150
8.2.7. Análisis de la dirección del viento.
De manera similar a procedimiento para los datos a 10 metros de altura se realizó para los 15 metros de altura. (Ver anexo 3)
8.3. Perfil vertical del viento.
El perfil vertical se obtiene tomando en cuenta los valores de la velocidades medias que se estimaron a las dos alturas de 10 y 15 metros se grafican utilizando el programa Excel para estimar la línea de tendencia logarítmica, se puede ajustar los datos y obtener lo curva de perfil vertical
Datos de entradaAltura en m Velocidad en m/seg
1015
1,5961,71
8.4. Perfil vertical de la potencia
Este grafico se hace de manera similar a la gráfica del perfil del viento.
Datos de entradaAltura en m Potencia watt/m2
1015
3,9884,898
9. Cronograma y presupuesto.
9.1. Cronograma.
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Tiempo en semanas FEBRERO MARZO ABRIL MAYO
Actividades 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
A1
Planificación de la propuesta del proyecto
A2
Estudio y diseño de la estación eléctrica
A3
Implementación de la estación
A4
Diseño de los Aerogeneradores
A5
Ejecución y generación de energía
A6
Digitación y planeación de la sustentación
A7
Sustentación final y presentación en la feria
9.2. Presupuesto.
PRESUPUESTON° Categorías de los gastos Valor unitario Valor
1 Cautil 27000 27000
3 Tiras de LED 30000 90000
Tornillos tuercas y arandelas 30000 30000
10 Abrazaderas 3000 30000
2 Multímetros 30000 60000
3 Acrílicos De 30cm * 20cm 3333,3 10000
5 Sinti-solda 11000 55000
3 Metros de cable para internet 6000 18000
4 Maderos De 4*4 20000 80000
66 Refrigerios 15000 100000
Total 500000
10. Conclusiones.
En el mes de abril de 2016 tiempo durante el cual se realizó el monitoreo de la velocidad y dirección del viento a 10 y 15 metros de altura de manera simultánea en la I.E. José Eustasio Rivera, se presentaron velocidades con muy poca turbulencia, observando un promedio de 1,596 y 1,71 m/seg respectivamente.
Cuando la velocidad toma un valor cerca al promedio el aerogenerador adquiere la potencia necesaria para alimentar una tira led de un metro de longitud.
Al comparar el rendimiento de los dos aerogeneradores se pudo notar que las pala tipo B (de PVC) necesitaron menor velocidad para arrancar que las tipo A (aspas de ventilador), esto corrobora que el largo de las palas incide en la generación de potencial eólico.
El gráfico de Rosa de los vientos permite concluir que un alto porcentaje de la dirección se sitúa hacia el suroeste en este periodo de tiempo.
Como la potencia depende del cubo de la velocidad. Así, si la velocidad aumenta en un 10% la densidad de la potencia aumenta en un 33% de aquí la importancia de colocar el aerogenerador a la mayor altura posible, ya que la velocidad crece con la altura.
La estimación en los valores de la velocidad y dirección del viento, puede haber resultados con algún margen de error debido a que los instrumentos utilizados son ensamblados en materiales que no cumplen las condiciones técnicas, esto implica también para el potencial generado.
11. Bibliografía.
Proyecto: DISEÑO DE UN AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL TIPO SAVONIUS PARA ELECTRIFICACIÓN RURAL. Lorena Arbeloa Sola y Jesús Zurita Gabasa. (2012).
Diseño de un aerogenerador para uso particular Proyecto Fin de Grado Álvaro Lucas San Román Tutor: José Luís Pérez Díaz. Universidad Carlos III de Madrid.
GUÍA TÉCNICA DE APLICACIÓN PARA INSTALACIONES DE ENERGÍAS RENOVABLES: TECNOLOGÍAS EÓLICAS. La consejería de industria, comercio y nuevas tecnologías, vice consejería de industria y nuevas tecnologías, dirección general de industria y energía del gobierno de Canarias.
Atlas del viento y energía Eólica en Colombia Capítulo I y IV, Ministerio de Ambiente, Vivienda y desarrollo Territorial.
Escudero, J. (2004). . Manual de energía eólica: investigación, diseño, construcción y explotación de distintos tipos de instalaciones. Bogotá D.C.: Ediciones Mundi-prensa.
González –Ávila, M. E.-M.-D. (2006). Potencial de aprovechamiento de la energía eólica para la generación de eléctrica en zonas rurales de México. INCI, Abril 2006, Vol 21, Nro 4, 240-245.
Fajardo-Díaz, J. L., García- Gonzáleza, J. M., & García-Saldívar, V. M. (2010). Evaluación del potencial eólico de una zona del estado de Zacatecas, México Tecnología. Ciencia, Educación, vol. 25, núm. 2, julio-diciembre, 95-98.
Albert Betz en 1919. Su libro "Wind-Energie", publicado en 1926,
UPEM, Unidad de Protección Minero Energética WWW1.upem.gov.co.
IDEAM www.ideam.gov.co.
Ley de fomento a las ERNC.
http://web.ing.puc.cl/power/alumno08/renewables/eolica.html.
http://www.monografias.com/trabajos82/aerogeneradores-generadores-electricidad- y-productores-agua/aerogeneradores-generadores-electricidad-y-productores-agua2.shtml.
https://es.wikipedia.org/wiki/Energ %C3%ADas_renovables_en_Colombia#cite_ref-ESMAP_2-1.
https://www.google.com.co/?gws_rd=cr&ei=Cx4mV7W2NYK4eYyZjJAK#q=saravena+araucaPlan Básico de ordenamiento territorial Diagnostico
12. RECOMENDACIONES.
Continuar con el trabajo y proyectarlo de tal forma que incluya más estudiantes, incluso se puede pensar en que cada estudiante en su casa tenga un aerogenerador que le permita de alguna manera generar energía para utilizarla en cosas pequeñas como recargar la batería de un celular, alimentar un electrodoméstico pequeño.
Para la generación de energía es bueno asesorarse de las estaciones de monitoreo del el IDEAM para saber en qué época del año tiene mayor efectividad la velocidad del viento.
Los elementos diseñados no solamente se pueden utilizar para prácticas pedagógicas de generación de energía, se les puede dar usos diferentes para afianzar conceptos básicos de física, por ejemplo, movimiento circular uniforme, conceptos de electricidad y magnetismo. Así mismo en el área de matemáticas se convierten en una herramienta importante para el aprendizaje significativo de áreas.
Para continuar la investigación se puede hacer desde otros ámbitos, una vez se modifica la bomba de desagüe que fue utilizada como generador se le pueden adaptar otras formas de generación de energía.
13. Evidencias fotografías
14. Anexos.
Anexo 1
Actividad práctica para calcular la velocidad del viento.
I. Actividad anemómetro.
Los anemómetros son herramientas que se utilizan para medir la velocidad del viento. En esta práctica, se va a utilizar anemómetros para encontrar la velocidad del viento en la I.E. Técnica Comercial José Eustasio Rivera y determinar la mejor ubicación del sitio de monitoreo, antes de iniciar la recolección de datos.
1. Utilice una herramienta de mapas de Internet, como Google Earth para localizar la ubicación de la I.E, incluyendo ciudad, Departamento, latitud y longitud y altitud. Registrar esta información en su hoja de recogida de datos.
2. Utilizando el mapa, boceto de su campus de abajo y etiquetar las características geográficas de su campus
II. Localización y ubicación de las turbinas eólicas.
Una vez ubicada la zona de ubicación de monitoreo se instalan dos anemómetros uno a 10 y otro a 15 metros de altura.
III. Medición de la velocidad del viento en revoluciones por minuto. Para este proceso realice los siguientes pasos.
1. Marque unas de las cocas de forma que sea visible con mayor facilidad.2. En el momento en que el anemómetro empiece a girar, grave un video de un minuto y
cuente en voz alta cada vuelta que da la coca marcada.3. Observe el comportamiento de la veleta tome nota4. Registre sus mediciones individuales en la hoja de recopilación de datos.5. Repita estas mediciones por cinco veces en cada anemómetro.
IV. Cálculo de la velocidad del viento en metros por segundos.
1. Cuente en número de vueltas que da la cazoleta de referencia (de diferente color) en un minuto
Radio del anemómetro
RPM
Vt = w*R
2. Registre los resultados en la hoja de datos y en el formato general (Anexo 2).
Anexo 2
Formato para recolección de datos velocidad del viento 10 metro de altura
Altura 10m
Velocidad del viento m/seg
1 2 3 4 5 6 7 8
Fecha Hora T. °C N NW W SW S SE E NE
01/04 4:10 pm 35° 1,78 1,50
a4:30 pm
1,631,89
1,43
…….
………
30/04
10: 00 amA
12:45 pm
28°
1,251,14
1,291,35
1,40
Formato para recolección de datos velocidad del viento 15 metro de altura
Altura 15m
Velocidad del viento m/seg
1 2 3 4 5 6 7 8
Fecha Hora T. °C N NW W SW S SE E NE
01/044:10 pm
a4:30 pm
35°1,6
1,73
1,99
1,88
1,53
…….
………
30/04
10: 00 amA
12:45 pm
28°
1,3191,209
1,3591,419
1,469
Anexo 3
Actividad manejo de la roda de los vientos.
1. Registro de datos. Abra el registro de datos utilizados según anexo 2
Ordene de tal manera que los datos queden en una sola columna lo que indica que por cada fila haya un dato, realícelo con las velocidades y con las direcciones.
Para las direcciones utilice la siguiente conversión
N NW W SW S SE E NE
90° 135° 180° 225° 270° 315° 0° 45°
2. Cree un documento nuevo en Excel que lleve los siguientes campos como indica la tabla.
3. Para el caso como solo se hicieron cinco observaciones diarias entonces el día para la investigación solo tiene cinco horas (no a 24 como es normal). El año 2016, mes 4 , 30 días del y las del día 5 horas la respectiva velocidad y dirección
Año Mes Día Hora Velocidad Dirección
2016 4 1 8
2016 4 1 9
2016 4 1 10
2016 4 1 11
2016 4 1 12
2016 4 2 8
2016 4 2 9
2016 4 2 10
2016 4 2 11
2016 4 2 12
…… …. …. …
2016 4 30 12
4. Guarde ese nuevo libro con el siguiente tipo Surface Met data (SAMSON)*Sam, el programa le asigna por defecto extensión .Sam.
5. Abra el programa WRPLOT y abra el archivo que se guardó con extensión .Sam
6. Al abrir el archivo puede seguir la instrucciones y generar la gráfica de rosa de los vientos y las diagramas de distribución de frecuencias seleccionando la pestaña de acuerdo a la aplicación que desee obtener
7. Rosa de los vientos
