DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE AEROGENERADOR TIPO SAVONIUS PARA ZONAS ALTOANDINAS

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1 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE AEROGENERADOR TIPO SAVONIUS PARA ZONAS ALTOANDINAS Rolando Wilder Adriano Peña-radriano@inictel-uni.edu.pe Ronald Paucar Curasma-rpaucar@inictel-uni.edu.pe Instituto Nacional de Investigación y Capacitación en Telecomunicaciones de la Universidad nacional de Ingeniería; INICTEL-UNI Louis COURTHIAL -Louisc@hotmail.fr INGENIEUR DES MINES DE DOUAIS, formation en Alternance IPHC, spécialité productique-mécanique Marcelo Zevallos Ramires- marzeram_contratistas@hotmail.com Facultad de Ciencias, Universidad nacional de Ingeniería (1) energía eólica y aplicaciones. Resumen. La necesidad de energía de baja potencia en zonas aisladas de la red eléctrica producida por el menester del desarrollo de las TICs en el Perú, ha llevado al INICTEL-UNI a realizar investigación en generadores de energía alternativos adecuados para desplegar redes de comunicación inalámbrica malladas en zonas alto andinas. En el presente trabajo se aborda el diseño, la construcción y pruebas en túnel de viento de un prototipo de aerogenerador tipo Savonius, el cual ha sido diseñado tomando en cuenta el potencial de viento en la zona de Lachocc en la región de Huancavelica (velocidades de viento promedio anual entre 4 y 5 m/s) a 4500 m.s.n.m. con el objetivo de energizar los equipos de comunicación de esta zona rural. Del diseño se obtuvo que el área mínima de barrido de las palas requerida para generar dicha demanda de energía es igual a 1,55 m 2. Asimismo las pruebas del aerogenerador se realizaron utilizando el túnel de viento, registrando la potencia generada con relación a la velocidad del viento. Palabras-Clave: aerogenerador, Savonius, Lachocc, Banda ancha, TIC. 1. INTRODUCCIÓN Entre el INICTEL-UNI y la Universidad Nacional de Huancavelica, existe un acuerdo a través de un convenio específico, con el objetivo de realizar actividades de investigación y desarrollo en relación al monitoreo de camélidos que pertenecen al centro experimental de camélidos sudamericanos Lachocc Huancavelica. Donde se tiene previsto implementar una red inalámbrica de telecomunicaciones tipo malla para el monitoreo de los camélidos con fines de investigación. La topología se muestra en la Fig. 1. Figura 1- Proyecto de Red inalámbrica de telecomunicaciones tendida desde el Campus de la UNH hasta Lachocc, ubicado a 4500 msnm.

2 Las radios de comunicaciones que se utilizará para monitorear a los camélidos son equipos de banda ancha de la marca Ubiquiti nano station M5 cuyo máximo consumo energético es 12 W. Estos equipos estarán operando durante 12 horas al día; por lo tanto la energía diaria requerida será 144Wh POTENCIAL DE VIENTO El viento es un recurso renovable; he aquí la importancia de diseñar e implementar sistemas que aprovechen estos tipos de recursos para generar energía eléctrica. El viento es uno de los recursos más impredecibles con los que se cuenta, a pesar de esto el promedio anual de velocidades se puede considerar constante (CER-UNI, 2006), como se muestra en la Fig. 2. Figura 2-Mapa de la región de Huancavelica con su respectiva distribución de las velocidades de viento (Ministerio de energía y minas, 2008). La velocidad promedio del viento en Lachocc es 4m/s, a esta velocidad los aerogeneradores de eje horizontal funcionarían de una manera muy ineficiente; por lo cual en este trabajo se abordará el diseño y la construcción de un aerogenerador de eje vertical, el cual es más económico y trabaja mejor a pequeñas velocidades (Antesana J, 2004). La potencia del viento que se intenta aprovechar por unidad de área se calcula en la Ec. (1). Donde: A : área de barrido del rotor en m² ρ : Densidad del aire (a 4000 m.s.n.m., ρ = 0,819 kg/m ³) v : Velocidad del viento (V= 4m/s) (1) (2)

3 2. DISEÑO DE LAS PALAS XX SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR, noviembre 2013, Tacna-Perú En la Ec. (2) se tiene la potencia por unidad de área del viento que se intenta aprovechar, de esta, se puede extraer como máximo los (coeficiente de Betz) como se observa en la Ec. (3). (3) (4) Por tanto a partir de la Ec. (4) la potencia máxima que se puede extraer del viento en la zona de Lachocc por m 2 de área efectiva de barrido es 15,53 W; adicionalmente asumimos un valor prudente de horas de viento por día igual a 6 h, entonces la energía que se puede extraer como máximo por unidad de área será: (5) Por otro lado la demanda de energía diaria en Wh es: (6) Entonces igualando la Ecuación (5) con la Ecuación (6), se obtiene el área efectiva de barrido del rotor(a): A partir del área A y considerando las dimensiones que se muestran en la Fig. 3(a) el área barrida es: ; (7) Figura 3-Diseño mecánico de rotor eólico tipo Savonius; (a) vista superior y vista lateral (b) diseño del soporte (b) diseño de las palas Así también; a partir de las referencias bibliográficas (Franquesa M, 2008) se consideran las relaciones:

4 (8) (9) Por tanto de la Ecuación (7) y Ecuación (8) se obtiene: (10) (11) Finalmente se calcula la distancia de separación e a partir de la Ecuación (9) y la Ecuación (11). (12) 3. CONSTRUCCION La construcción del aerogenerador se divide en dos partes; una es la parte de la construcción de palas y la otra es la de adaptación del generador eléctrico. Como ya se ha dicho antes, este proyecto busca alternativas baratas y eficientes que reemplacen a un generador eléctrico tradicional, por ello se optó por buscar barriles cilíndricos en desuso de fácil acceso que cumplan con los requerimientos del diseño (altura igual a 1,02 m y 0,86 m de diámetro). Finalmente el prototipo se construyo utilizando un cilindro de combustible de altura 90 cm y diámetro 0,58 m, partido por la mitad de la altura y adosado perpendicularmente, como lo podemos apreciar en la Fig 5. Figura 5-Prototipo de palas final, construidas a partir de un cilindro de combustible. El generador utilizado es un generador manual con rectificador a DC (20 V 1A. a 70RPM), que se monto sobre el eje de rotación, en la parte inferior de las palas.

5 Potencia (W) XX SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR, noviembre 2013, Tacna-Perú 2. PRUEBAS Para las pruebas del aerogenerador Savonius se utilizo un túnel de viento de diámetro de ambiente de pruebas igual a 1,30 m, y con capacidad para variar las velocidades desde 2,5 m/s hasta 12,8 m/s. La prueba consistió en variar la velocidad del viento desde 3 m/s hasta 7 m/s y medir la potencia de salida del generador, con una carga de 20 Ω, Los resultados de la prueba se aprecian en la Fig Velocidad del viento (m/s) Figura 9: potencia generada para diferentes velocidades de viento. 3. COSTOS El prototipo de aerogenerador construido para telecomunicaciones en zonas altoandinas se ha construido a partir de materiales reciclados y que se enumeran que en la tabla 2, con una estimación del costo. Tabla 2: Costos de materiales para la construcción de un aerogenerador tipo SAVONIUS. MATERIAL CANT. PRECIO S/ barril de combustible Tubo cuadrado para estructura 2 mmx1,5 Pulgada X 3 metros Tubo de acero de 1 y ½ metro Rodamientos Mano de obra Generador eléctrico DC TOTAL CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES a) El aerogenerador Savonius construido tiene un costo económico(s/ costo prototipo) b) El sistema Savonius genera 15 W para una velocidad típica en Huancavelica de 5 m/s c) Las radios de comunicaciones se podrán energizar con el aerogenerador Savonios construido, con una pequeña disminución del tiempo de uso.

6 REFERENCIAS Antesana J, 2004, Diseño y Construcción de un Prototipo de Generador Eólico de Eje Vertical, memoria para optar el título de ingeniero civil electricista, universidad de Chile, Santiago de Chile. CER-UNI, 2006, evaluación del potencial de las fuentes de energía renovable en el Perú, Lima. Franquesa M, 2008,Cómo construir un generador eólico con un barril de petróleo de 200 litros para producir energía sin el contenido del mismo, publicación web ( Ministerio de energía y minas, 2008, Atlas eólico del Perú, Lima, Octubre DESIGN AND CONSTRUCTION OF A PROTOTYPE OF SAVONIUS WIND TURBINE FOR USING IN THE ANDES Abstract. The need for low power energy in isolated power grid Caused by the need of ICT development in Peru, has led to INICTEL-UNI to conduct research on alternative energy generators Appropriate to communication wireless meshed networks deploy in high Andes.In the present paper deals With The design, construction and wind tunnel testing of a Savonius type wind turbine prototype, que has been designed taking into account the wind potential in the region Lachocc in Huancavelica (average annual wind speeds Between 4 and 5 m / s ) to 4500 m in order to power the communications equipment of this rural area. The design was Obtained That the minimum area of the blades sweep energy required to generate Such demand is equal to 1.55 m2. Also aerogenerator tests were conducted using a wind tunnel, recording the power generated in relation to wind speed. Key words:aerogenerator, Savonius, Lachocc, broadband, ICT