‘’ ELABORACIÓN DE UN DE GENERADOR EÒLICO PARA LA OBTENCIÓN DE ENERGÍA

SOSTENIBLE Y ECOLÓGICA EN ZONAS URBANAS DE TRUJILLO ‘’

1. RESUMEN

Este proyecto contiene la información necesaria para la elaboración de un generador, el cual permitirá convertir la energía eólica a través de un proceso mecánico en energía eléctrica. La obtención de esta energía se dará de manera sostenible y ecológica en zonas urbanas puesto que, el diseño utilizado es una mejora del diseño tradicional, se trata de una turbina cónica con forma de balón, es decir, un generador eólico con paletas en forma de esfera girando alrededor de su eje. A diferencia de otras turbinas este usa el efecto de Venturi para su funcionamiento. Este efecto aprovecha el viento que queda dentro de la turbina. Así gracias a la esfera y con un menor esfuerzo se optimizan los resultados energéticos. Gracias a su diseño que dificulta el flujo del viento provocando una disminución de la presión dentro de la esfera lo que en definitiva ayuda a que giren las aspas del rotor. Además, se comparará voltajes producidos por el generador en diferentes zonas de Trujillo, para determinar la mayor eficiencia de dicho artefacto en el siguiente proyecto, ya que este contribuye con el medio ambiente porque con su uso no se produce ningún tipo de contaminación que da como resultado una energía limpia; es decir, aquella que no conlleva a la producción de CO2.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

¿De qué manera podríamos obtener energía eléctrica de forma sostenible y ecológica aprovechando la energía cinética generada

por efecto de las corrientes de aire en la ciudad de Trujillo?

3. FORMULACION DE LA HIPOTESIS

Hipótesis 1: Se podrá aprovechar la fuerza del viento mediante el diseño y elaboración de un de generador eólico, el cual puede ser usarse en zonas urbanas de Trujillo. Con esto sería posible obtener energía eléctrica de una manera sostenible y ecológica, para mitigar los gases del efecto invernadero.

Hipótesis 2: Al ser la energía eólica, uno de los tipos de energía menos estudiados; podemos decir que su uso u operatividad dentro del proyecto puede ser de gran ayuda para solucionar los problemas que la sociedad presenta en cuanto a fuentes de energía y a la vez tratar de minimizar los daños medio ambientales ya que como se mencionó antes este tipo de energía es una fuente libre de contaminantes.

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4. OBJETIVOS

4.1 GENERAL:

Convertir la energía eólica a través de un proceso mecánico en energía eléctrica mediante el prototipo de generador como alternativa de energía limpia en zonas urbanas.

4.2 ESPECIFICOS:

Describir sobre los conceptos y manejo de la energía eólica. Investigar una de las principales energias verdes, la energia eoli-

ca y aprovecharla en la ciudad de Trujillo. Utilizar el conocimiento sobre el efecto Venturi para el diseño del

prototipo de generador eólico. Aprovechar el viento de Trujillo como recurso natural para mitigar

la contaminación ambiental y generar energía renovable a partir del prototipo del mini generador

Investigar y dar a conocer el manejo de la energía eólica, beneficios medioambientales y aplicaciones. Así como también, la forma en donde puede ser utilizada este tipo de energía en nuestro territorio.

5. FUNDAMENTO TEORICO:

5.1.- EFECTO DE VENTURI: El efecto Venturi (también conocido tubo de Venturi) consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de sección menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido que va a pasar al segundo conducto. Este efecto, demostrado en 1797, recibe su nombre del físico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822). El efecto Venturi se explica por el Principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, necesariamente la velocidad aumenta tras atravesar esta sección. Por el teorema de la conservación de la energía mecánica, si la energía cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión disminuye forzosamente.

5.2.- POTENCIA EÓLICA Y LÍMITE DE BENTZ:En un aprovechamiento eólico es de gran importancia caracterizar el recurso primario para poder determinar sus variaciones a lo largo del tiempo, sus direcciones predominantes de incidencia o su variación con

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respecto a la altura. Todos estos factores influyen en la energía que se puede extraer del viento ya que la potencia que lleva el viento se define como:

P=12. ρ . S . v3

Dónde: P: Potencia (W). ρ: Densidad (normalmente se toma 1,225 kg/m3). S:Superficie del rotor (m2)

v:Velocidad del viento(ms )

A la vista de la anterior ecuación, se comprende como es de gran importancia hallar las zonas con mayores velocidades de viento, porque la potencia depende del cubo de la velocidad, lo cual implica que ligeros aumentos en la velocidad del viento provocan grandes aumentos en la potencia eólica. No obstante, no toda la potencia del viento pueda convertirse en potencia útil, ya que un aerogenerador tiene un rendimiento aerodinámico, mecánico y eléctrico que provoca que no toda la potencia del viento pueda convertirse en potencia útil. Para determinar el valor de dicha perdida se establece un factor CP, denominado coeficiente de potencia, que expresa la relación entre potencia extraída por el aerogenerador y la potencia eólica disponible. El máximo valor posible para CP es 0,59, valor conocido como límite de Bentz.El límite de Bentz indica la máxima potencia teórica útil que se puede extraer del viento, como tal, considera que no existen perdidas en los sistemas eléctricos y mecánicos del aerogenerador, sin embargo a pesar de ello no se puede alcanzar un valor de CP de 1, lo cual se explica de la siguiente forma.Un aerogenerador realiza un aprovechamiento de la energía del viento, cuanto mayor sea el aprovechamiento eólico, mayor energía extraerá del viento por lo que más exhausto quedará este al atravesar la turbina; en el caso de que se llegara a extraer toda la energía eólica del viento, este esté quedaría con velocidad nula tras atravesar el rotor, por lo que disminuiría el flujo de viento a través de la turbina, por lo que hay un valor comprendido entre la nula oposición al paso del viento y la total oposición al paso del viento que indica el máximo aprovechamiento que puede hacerse este. El límite de Bentz es este valor e indica que solo puede aprovecharse de forma útil un 59,3% de la energía que porta el viento

5.3.- DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO

Conocidos los factores que influyen en la potencia del viento y qué limites tiene su aprovechamiento, es preciso determinar cómo caracterizar el recurso, para ello se recurre a la estadística. La forma de caracterizar el viento es determinar la probabilidad de existencia de las posibles velocidades de viento en un emplazamiento, para ello se realiza una distribución de frecuencias por intervalos de velocidad. La distribución de frecuencia que más se ajusta a la distribución de Velocidades de viento es la distribución de probabilidad de Weibull, donde la probabilidad de que la velocidad de viento sea una dada (U) es:

f (U )=( kC ) .(UC )k−1

.exp [−(UC

)k ]

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Dónde:K : Factor de forma.C : Factor de escala.

La representación de las velocidades de viento en un emplazamiento y su frecuencia de aparición es la representada por la figura 2.3.

Como se puede apreciar en el ejemplo de emplazamiento representado, la aparición de vientos elevado, superiores a 10 m/s es muy improbable, así como también la presencia de vientos nulos o bajos, próximos a 2 m/s, concentrándose la máxima probabilidad de vientos en tornos a 5 m/s. Teniendo la distribución de Weibull en un emplazamiento, se puede calcular la distribución de energía eólica a las distintas velocidades, multiplicando la probabilidad de aparición de cada velocidad de viento por la potencia eólica para cada velocidad, tal y como se representa en la figura 2.4.

Se observa como la curva se ha desplazado a la derecha, este efecto se debe a que la potencia eólica depende del cubo de la velocidad, por lo que a pesar de tener una baja aparición de velocidades de viento superiores a 10 m/s la aportación a la generación de energía de ellas es importante.Es preciso considerar, tras conocer la densidad de potencia, que no toda ella es aprovechable, no solo por el anteriormente mencionado límite de Bentz, sino por las condiciones de trabajo del aerogeneradores presentan unos rangos de velocidades de viento en los cuales no pueden producir

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energía, bien porque no haya viento suficiente o porque haya demasiado. Por otro lado, la producción del aerogenerador depende de la velocidad de viento, lo cual da lugar a una curva de potencia específica para cada máquina.Estas limitaciones dan lugar a los siguientes parámetros que caracterizan la curva de potencia de un aerogenerador: Velocidad de arranque: Indica la velocidad a la que el aerogenerador comienza a producir, su valor depende del tipo de máquina, variando entre los 1 y los 3 m/s de forma habitual. Velocidad de corte: Indica el valor máximo de velocidad de viento a la cual puede trabajar el aerogenerador, por encima de ella este debe pararse para evitar daños en el sistema, por lo general, este valor varia en torno a los 20 m/s. Velocidad nominal: Indica a que la velocidad el aerogenerador está trabajando a potencia máxima.

En la figura 2.5, se representara la curva de potencia de un aerogenerador.

Especificar que valores hay en las tablas(Watts- M/s)?

Se observa como a 4 m/s se produce el arranque y que hasta los 15 m/s no se alcanza la potencia máxima, por lo que esta velocidad la velocidad nominal, por otro lado a partir de 25 m/s la maquina se detiene para evitar daños en el sistema.Llegados a este punto se puede concluir que, tras tener caracterizado e recurso eólico a través de una distribución de Weibull y conocer la curva de potencia de la máquina, se puede calcular la producción de dicha maquina sumado los resultados de multiplicar para cada velocidad, la probabilidad de aparición por la potencia eólica para dicha velocidad y la potencia de la maquina a dicha velocidad.Es destacable que la caracterización del viento solamente es válida para una determinada altura, siendo preciso realizar una caracterización del recurso a distintas alturas si realmente se desea saber cómo varia el recurso con la altura con respecto al suelo. Esta caracterización da lugar al perfil vertical del viento, la variación del perfil depende de un parámetro α, denominado rugosidad del terreno, el cual indica la orografía y obstáculo que existen en el terreno; en entorno urbanos este valor es muy desfavorable estando su valor más habitual comprendido entre 0,6 y 0,9, muy superior a los valores que presentan los parques eólicos comprendido ente 0,1 y 0,3.

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La variación de la velocidad con respecto a la altura se puede representar de forma matemática a través de la siguiente expresión denominada ley de potencia:

U (Z )=¿

Ya que la velocidad de rozamiento U* es difícil de evaluar, esta fórmula se suele reescribir como:

Dónde:U (z): Velocidad de viento a la altura Z.U (Zr): Velocidad de viento a la altura Zr.α: Coeficiente de la ley potencial del viento. De esta forma, conocida la rugosidad del terreno y la velocidad de viento a una altura dada, se puede conocer la velocidad de viento a cualquier altura deseada.

5.4.- CORRIENTE ALTERNA:

Para almacenar cualquier tipo de energía debe esta ser de corriente continua (CC) o en ingés Direct current (DC). La corriente alterna es imposible de almacenar (CA) o en inglés (AC).

Si el generador da una salida en alterna, debes de buscar un convertidor AC/DC (corriente alterna a corriente continua). Luego después de eso debes de instalar las baterias. Y de las baterias colocar un convertidor DC/AC(de continua a alterna), que es la de consumo de tu casa.

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Así que tu sistema se quedará

Aerogenerador→Convertidor ACDC

→Batería→Convertidor DCAC

→Tucasa

Este esquema es muy simplificado, pero seguro que sabiendo esto, podrás entender los esquemas que haya por internet de generadores.

Suerte con tu proyecto. Aunque lo más importante es ver cuantos dias al año hay viento fuerte en tu zona, ya que un proyecto así es caro, y si no tienes el viento suficiente, estás tirando el dinero. Y el coste de la instalación es bastante alto, se tarda un tiempo en amortizarlo

5.5.- INVERSOR DE VOLTAJE DC/AC Y CARGADOR DE BATERIA

El inversor de voltaje es un sistema que convierte la tensión de corriente continua (en este caso los 12 voltios de una batería), en un voltaje simétrico de corriente alterna, que puede ser de 220V o 120V, dependiendo del país o del uso que se le piense dar a este circuito. La frecuencia del inversor se calibra de acuerdo a la frecuencia requerida por el aparato o electrodoméstico que vallamos a alimentar o de la frecuencia usada comúnmente en la zona o país. El inversor se utiliza en infinidad de aplicaciones, que van desde pequeñas UPS para computadores, hasta aplicaciones industriales de alta potencia. Otra gran aplicación de los inversores, es la de convertir la corriente continua generada por los paneles solares (que es almacenada en baterías), en corriente alterna, para luego ser utilizada en el hogar o la industria rural, reemplazando el servicio de la red pública. También a partir del almacenamiento de energía en de bancos de baterías de 48 voltios, se usa en recreación, aplicaciones náuticas y alimentación de sistemas de comunicaciones. A nivel casero se usa para la alimentación de televisores, reproductores de video y electrodomésticos en automóviles.Además, es posible producir una llamada "onda senoidal modificada", la cual se genera a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Una circuitería lógica se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente. Los inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; operen de manera menos eficiente.

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6.- ANTECEDENTES

Según Baillarie (2007) en su tesis ‘’Diseño de Aerogeneradores con imanes permanentes para aplicaciones en electrificación rural‘’. Muestra que la aplicación de un aerogenerador de flujo axial de imanes permanentes como fuente de generación de energía eléctrica abordó el problema de abastecimiento de energía eléctrica en zonas rurales

Según Roncero (2004) en su tesis ‘’Avances en el Control de Generadores Eólicos y conexión a red mediante convertidores Electrónicos de Potencia. ’’. Demostró que el empleo de generador eólico como filtro activo ayudaría inyectar la energía capturada del viento en la red eléctrica.

Según Gonzales (2007) en su tesis ‘’Diseño de un sistema de calefacción alimentado por un aerogenerador’’ mostró que la utilización de un aerogenerador reduciría los costos a comparación con la energía eléctrica, ya que sus características técnicas son favorables por la gran cantidad de vientos en ese lugar.

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7.- JUSTIFICACION

Hoy en día el calentamiento global se ha incrementado a causa de la contaminación ambiental y la acumulación de los gases del efecto invernadero, con el fin de mitigar este problema global, se ha diseñado un prototipo de generador eólico como alternativa de generador de energía limpia, con el cual será posible obtener energía eléctrica de una manera sostenible y ecológica aprovechando la fuerza del viento que a la vez genera energía eólica. Cabe recalcar que la energía eólica es la energía obtenida del viento, la que se obtiene de la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire y así mismo las vibraciones que el aire produce. Además, no contamina: al no existir combustión, no produce lluvia ácida, no contribuye al aumento del efecto invernadero, no destruye la capa de ozono y no genera residuos.

En otras palabras, el presente proyecto está enfocado en la implementación de un sistema de energía eólica, con el fin de obtener electricidad, demostrando la sustentabilidad de dicho proyecto. El prototipo de generador eólico tiene la ventaja de que estará al alcance de todos,  permitiendo hacer conocer los beneficios de un generador eólico y promover la realización de más generadores para beneficio de toda la ciudad de Trujillo.

8.- DISEÑO, MATERIALES Y EQUIPOS. (ANEXO 1)

Materiales 1 tubo de cobre de 26.5 cm 6 hélices de latón 40 cm de largo. 1 cola de viento de latón. 2 rodajes pequeños. Tira de fierro plano de 180 cm. 1 tubo niquelado de 70 cm de largo x 1 pulg. De diámetro. 1 bomba pequeña de lavadora. 1 tornillo de ¼ de pulg. x 2 de largo con dos tuercas. 1 tornillo de ½ de pulg. x 2 de largo. 1 acople de jebe.

9.- PROCEDIMIENTO (ANEXO 3)

En el procedimiento de este generador se tomara 6 puntos de los cuales los dos primeros corresponderán a la parte superior del aparato y los cuatro restantes a la parte inferior

Se saca el molde de las hélices en cartulina con sus respectivas medidas para realizar el corte de las mismas en latón, al igual que la cola.

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Luego se procede a soldar las hélices de latón en el tubo de 26.5 cm que funciona como eje.

Se adapta un rodaje en uno de los costados del eje y un acople en el otro lado del tubo para recibir al pin del generador.

Luego se procede a realizar el doblado de un arco de fierro para sostener al generador y la esfera de viento.

Posteriormente se realiza el armado de un parante como soporte para dar altura al generador; éste consta de un tubo de 70 cm de largo con un rodaje en la parte superior del mismo.Para la parte inferior del parante se soldaron 4 tiras de fierro de 25 cm. cada una, formando así una X.

Se une el parante con el arco de fierro y la esfera ya acondicionada mediante un tornillo que va soldado en el centro del arco al rodaje del parante.

Finalmente, se le acopló la cola de latón a la esfera de viento mediante dos tornillos al costado del generador.

10.- REFERENCIA LINKGRAFICAS:

https://www.youtube.com/watch?v=vdzpxgVn6N0

http://books.google.com.pe/books?id=wsPBkbKWd- YC&pg=PA47&lpg=PA47&dq=U+(z)+:+Velocidad+de+viento+a+la+altura+Z.+U+(Zr)+:+Velocidad+de+viento+a+la+altura+Zr.&source=bl&ots=Cb6IEqIs4t&sig=l97_dq2kACoZFYXZBemHO1zd18E&hl=es&sa=X&ei=svJSVO6NLYKrgwSL2IL4BQ&ved=0CCkQ6AEwAg#v=onepage&q=U%20(z)%20%3A%20Velocidad%20de%20viento%20a%20la%20altura%20Z.%20U%20(Zr)%20%3A%20Velocidad%20de%20viento%20a%20la%20altura%20Zr.&f=false

http://construyasuvideorockola.com/proyecto_inversor_01.php http://es.wikipedia.org/wiki/Inversor_(electr%C3%B3nica) https://espanol.answers.yahoo.com/question/index?

qid=20100617204345AAOolOM

ANEXOS

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