PROTOTIPO GENERADOR EOLICO

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1 PROTOTIPO GENERADOR EOLICO PABLO EMILIO ARIAS MORENO Código: JOSE MIGUEL RAMIREZ CHAVEZ Código: INSTITUTO TÉCNICO CENTRAL ESCUELA TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA ELECTROMECÁNICA PROYECTO DE INVESTIGACIÓN BOGOTÁ 2013

2 PROTOTIPO GENERADOR EOLICO Presentado por: PABLO EMILIO ARIAS MORENO Código: JOSE MIGUEL RAMIREZ CHAVEZ Código: Proyecto de investigación para optar al título de: Tecnólogo Electromecánica Asesores JUAN CARLOS PÁEZ Asesor Metodológico DAGOBERTO ORTIZ Asesor Técnico INSTITUTO TÉCNICO CENTRAL ESCUELA TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA ELECTROMECÁNICA PROYECTO DE INVESTIGACIÓN BOGOTÁ 2013

3 Nota de aceptación: Firma del presidente del jurado Firma del jurado Firma del jurado 16, OCTUBRE, 2013

4 DEDICAMOS A: El hacedor de milagros, Jesucristo. Porque Jehová da la sabiduría, y de su boca viene el conocimiento y la inteligencia. Proverbios: 2:6

5 AGRADECIMIENTOS A DIOS, por su amor, gracia y misericordia. Este trabajo no se habría podido realizar sin la generosa colaboración de muchas personas al a Quienes expresamos nuestro agradecimiento. Deseamos extender un especial reconocimiento A los profesores JUAN CARLOS PÁEZ y DAGOBERTO ORTIZ, por sus conocimientos, orientación, apoyo y dedicación, gracias a ellos hicieron posible este trabajo. A nuestras familias por su apoyo incondicional y apoyarnos en todo momento. A la ESCUELA TECNOLOGICA INSTITUTO TÉCNICO CENTRAL por ofrecernos todos los recursos para nuestra formación. A todas y cada una de las personas que contribuyeron para que este proyecto se hiciera posible.

6 SEGÚN REGLAMENTO PARA LA ENTREGA DE TRABAJOS DE GRADO A LA TECNOLOGÍA. ARTÍCULO 29. RESPONSABILIDAD: La Escuela Tecnológica Instituto Técnico Central La Sallé, ni el asesor, ni los jurados calificadores son responsables de las ideas expuestas por los autores del trabajo de grado.

7 CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN FORMULACIÓN DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS MARCO TEÓRICO FORMACIÓN DEL VIENTO POTENCIAL EÓLICO DEL VIENTO ESCALAS DEL VIENTO Vientos de Escala Media Vientos de Escala Micro FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DEL VIENTO Rugosidad Clases de rugosidad Efecto túnel Efecto colina DESCRIPCIÓN ESTADÍSTICA DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO Distribución De Weibull AEROGENERADOR MATERIALES Y MÉTODOS MATERIALES MÉTODOS Adecuación del motor Fabricación de discos Fabricación de aspas Fabricación de la coleta y base para el aerogenerador Armado completo del aerogenerador Ensamble electrónico y de almacenamiento RESULTADOS Y DISCUSIÓN ADECUACIÓN DEL MOTOR FABRICACION DE DISCOS FABRICACION DE ASPAS FABRICACION DE LA COLETA ARMADO COMPLETO DEL AEROGENERADOR ENSAMBLE ELECTRÓNICO Y DE ALMACENAMIENTO... 41

8 Finalmente se obtuvo el ensamble electrónico y de almacenamiento el cual es presentado en la figura CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA... 55

9 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Características del motor a utilizar para el prototipo proveniente de la planta eléctrica... 25

10 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Representación gráfica del patrón global de la circulación general de los vientos Figura 2. Formación de brisa en las costas durante el día Figura 3. Ilustración gráfica de una rosas de vientos Figura 4. Curva de distribución del viento de Weibull Figura 5. Tipos de generador eólico. a. Generador de eje horizontal. (1) Multípara (2) hélice. b. Generador de eje vertical. (1) Rotor Savanius (2) Rotor Darrieux Figura 6. Secuencia de adecuación del motor. A. Planta eléctrica reutilizada. B. Desarme de planta. C. Motor. D. Rotor y colector del motor. E. Ventabiola del motor. F. Buje y eje nuevo. G. Buje nuevo. H. Motor adecuado Figura 7. Diseño elaborado para la fabricación del buje y eje nuevo Figura 8. Secuencia presentado la elaboración de los discos. A. Disco de madera. B Marcación del diámetro. C. Taladrado de cada punto. D. Elaboración de la rosca interna. E. Disco final con tres posiciones. F. Disco final con cuatro posiciones Figura 9. Secuencia presentado la elaboración de las aspas. A. Tubo de PVC. B. Respectivos cortes en el tubo PVC. C. Diseño del aspa. D. Tres aspas ensambladas en el disco. E. Cuatro aspas ensambladas en el disco. F. Aspas con soporte interno Figura 10. A. Diseño para la elaboración de la coleta. B. Corte de las láminas de acrílico. C. Láminas de acrílico. D Unión de las dos láminas de acrílico con un eje central. E. Acople de la coleta al motor Figura 11. Base construida para el aerogenerador Figura 12. Armado del aerogenerador... 40

11 Figura 13. Ensamble de almacenamiento. A. Transformador y puente rectificador B. Batería de 12v C. Tarjeta amplificadora D. Transformador elevador Figura 14. Diagrama De Bloques: Convertidor de 12VDC a 120VAC Figura 15. Transformador Figura 17. Almacenamiento y carga Figura 18. Ubicación geográfica del aerogenerador... 48

12 ANEXOS Anexo 1. Tabla los valores del factor de potencia (F) respecto al viento Anexo 2. Tabla presentación de los valores la corrección del aire (CA) y la corrección de temperatura (CT) Anexo 3. Ensamblé plano generador Anexo 4. Aspa pequeña Anexo 5. Disco de aspas Anexo 6. Eje motor Anexo 7. Buje frontal Anexo 8. Espigo base Anexo 9. Placa rodamiento Anexo 10. Placa superior Anexo 11. Arandela rete rodamiento Anexo 12. Mesa soporte Anexo 13. Coleta de dirección Anexo 14. Datasheet componentes inversor Anexo 15. Presupuesto generador Anexo 16. Tabla retorno de inversión

13 GLOSARIO AEROGENERADOR: Máquina giratoria para la obtención de energía mecánica a partir de la energía del viento. Existen de eje horizontal o vertical, según la orientación del eje del rotor. ÁNGULO DE ATAQUE: Ángulo que forma la cuerda del perfil con la Corriente de aire incidente relativa al perfil. ÁREA BARRIDA: Superficie del círculo cuyo radio es el semidiámetro del rotor especificado BARLOVENTO: Parte de donde viene el viento, respecto a un punto o lugar determinado. BORDÉ DE ATAQUE: Punto anterior del perfil sobre el cual incide la corriente aérea. BORDÉ DE SALIDA: Punto posterior del perfil sobre el cual abandona la corriente Aérea. BUJE: Elemento del Aerogenerador en el que van fijadas las palas y que conecta con el sistema De transmisión. COEFICIENTE DE POTENCIA: Coeficiente que mide la eficiencia de aerogenerador. Se obtiene dividiendo la potencia suministrada por el aerogenerador entre la energía eólica Por unidad de tiempo (potencia eólica contenida en la corriente incidente sin perturbar) qué Atraviesa una superficie equivalente al área barrida por el rotor. CORTADURA: Variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo. Se representa Mediante el perfil vertical de viento. CUERDA: Línea recta imaginaria que une el borde de ataque y el borde de salida de un Perfil. CURVA DE POTENCIA: Representación gráfica de la potencia neta, corregida por Densidad atmosférica, en función de la velocidad de viento incidente sin perturbar a la altura Del buje. DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL: Función de probabilidad, representada Mediante una curva, que muestra en tanto por ciento la distribución de la velocidad de

14 Viento (a una altura sobre el nivel del suelo dado) a lo largo de un período de tiempo en un lugar determinado.

15 GLOSARIO DE TÉRMINOS ω. Velocidad angular α. Ángulo de incidencia φ. Ángulo de rotación ρ. Densidad del aire λ.tsr relación entre la velocidad punta del perfil NACA y de la velocidad del viento real ϕ. Flujo magnético Cs. Coeficiente de sustentación Ca. Coeficiente de Arrastre v. Velocidad del viento a la altura del rotor eólico u. Velocidad tangencial del elemento de pala, perpendicular al radio del rotor c. Velocidad absoluta del elemento de pala (resultante de los vectores v y u. Entre la velocidad c, la velocidad del viento v', el ángulo de rotación)

16 RESUMEN Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2 % de la energía proveniente del sol se convierte en viento. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales.el viento es una fuente de energía difusa que no puede ser ni contenida o almacenada para utilizarse en otro momento; debe ser aprovechada en el instante, para esto existen grandes y pequeños sistemas de generación eólica. Para la fabricación de un generador eólico se requiere en primer lugar una evaluación del viento en un determinado espacio por lo cual nos apoyamos en los datos adquiridos en el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia) el cual nos permite saber la velocidad media en un periodo de tiempo, al evaluar estos datos del viento durante algunos meses de duración; se pude determinar la altura a la que se puede aprovechar su velocidad. El problema de este tipo de proyectos basados en energías renovables, en general, es que sus estudios e implementación presentan mayores costos que las alternativas tradicionales, es decir, aquéllas que se basan en combustibles fósiles. Esto se debe fundamentalmente a los altos costos de los estudios de investigación necesarios para llevarlos a cabo. Debido a esto, es necesario buscar minimizar dichos costos en las alternativas de generación renovables, para hacerlas más competitivas. El prototipo fabricado está dispuesto para el estudio, el análisis y desarrollo de teorías de generación.

17 INTRODUCCIÓN Para la generación eléctrica en Colombia hay unas normas generales (leyes 142 y 143 de 1994)*en conjunto con las actividades de transmisión, distribución y comercialización, regidas por la neutralidad tecnológica para beneficiar a los usuarios; por tanto, no es viable usar fuentes renovables, con las tecnologías de hoy, mientras sus costos se mantengan sustancialmente mayores que los de las fuentes convencionales (agua, gas, diesel y carbón). 1 La Ley 697/01*, sobre Uso Racional de Energía, define como propósito nacional avanzar hacia la utilización de fuentes renovables en pequeña escala y, particularmente, apoya la investigación básica y aplicada para que, con el tiempo, se reduzcan costos y se amplíe la capacidad de energías como la eólica, la solar, la geotérmica o la de biomasa. La Ley 788/02* exime del impuesto a la renta las ventas de energía con fuentes renovables, durante quince años, si se obtienen los certificados de reducción de emisiones de carbono previstos en el Protocolo de Kioto, los cuales generan ingresos a los empresarios. El 50% de estos ingresos tiene que destinarse a programas de beneficio social para gozar de la exención del impuesto. * BETANCUR, Luis Ignacio Abogado, especialista en economía. Consultor Independiente. Colombia edición 21/ 2009 Energías Renovables Marco Jurídico En Colombia, p 69 ** Empresas Públicas de Medellín 2

18 En la Guajira, las Empresas Públicas de Medellín (EPM) instalaron generadoras eólicas que forman parte del Sistema Interconectado Nacional. Es un proyecto piloto de investigación y, por tanto, EPM** ni busca ni obtiene utilidades, y asume riesgos sobre su sostenibilidad hacia el futuro. Es más un programa de responsabilidad social empresarial. Desde el punto de vista energético, su impacto sobre la oferta total de electricidad es insignificante (0,1%) y en ningún año pudieron generarse los megavatios esperados. El gran esfuerzo de las investigaciones de generación eólica analiza a este recurso por su conveniencia, respecto de otras formas tradicionales de obtener energía eléctrica en el país. El esfuerzo económico y legal para introducir la explotación del recurso eólico en Colombia es considerable. Los motivos fundamentales son varios y radican en criterios ambientales y sobre todo económicos, ya que el viento es un recurso gratuito y sin costo a diferencia del agua embalsada o del petróleo. La principal razón por la cual se estudian e instalan aerogeneradores es el aprovechamiento del recurso eólico de tal forma que no afecte de ninguna forma el desarrollo urbano de la ciudad. Los aerogeneradores pequeños tienen un buen número de ventajas con respecto a la gran eólica: menor impacto visual que las máquinas grandes; Genera la energía junto a los puntos de consumo, por lo que reduce las pérdidas; Es accesible a muchos usuarios, sin apenas necesitar obra civil, y su instalación es 3

19 sencilla; Funciona con vientos moderados de velocidades medias de 6m/s y no requiere estudios de viabilidad complicados. Técnicamente, estos generadores tienen una estructura similar a los ubicados en la península de la guajira en Colombia parque eólico jeripachi, solo que su diseño es mucho más simple, sistemas de orientación pasivos, generadores eléctricos robustos de bajo mantenimiento, ausencia de multiplicadores Su sencillez de funcionamiento hace que estas pequeñas instalaciones puedan ser atendidas por los propios usuarios. La pausada implementación de aerogeneradores se debe en buena parte a los altos costos de inversión y en consecuente largo periodo de recuperación del capital. En el momento en que los países industrializados se interesaron seriamente en el recurso eólico, como posible aporte a sus sistemas interconectados, los avances tecnológicos en esta área se incrementaron logrando bajar considerablemente los costos y por ende, transformando la energía eólica en un bien interesante desde el punto de vista económico. 4

20 1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA El problema radica en que un país como Colombia explota esté recurso en una mínima cantidad de 20MW equivalente 0.1%. 2 Pudiendo tomar esto como una oportunidad de mejora, podemos impulsar la necesidad de desarrollar nuevas alternativas. Colombia es uno de los países latinoamericanos que ha comenzado a incursionar en este tipo de tecnologías, reduciendo emisiones de carbono esto se refleja en disminución de impuestos, responsabilidad social. Se están tomando nuevas alternativas de desarrollo de energías que sean inagotables, limpias y renovables que permitan desarrollar tecnologías para el aprovechamiento del recurso e incursionar en este mercado y a si promover el uso de esta. 2 La Asociación Mundial de Energía Eólica (World Wind Energy Association) año

21 2. JUSTIFICACIÓN El encarecimiento de las fuentes tradicionales de energía (combustibles fósiles) ha puesto a la mayoría de países industrializado a encontrar soluciones en energías alternativas. Colombia tiene un gran potencial en la generación de este tipo de energías por su posición geográfica y la riqueza de sus suelos Las energías alternativas o renovables son las que se aprovechan directamente de recursos considerados inagotables como el sol, el viento, los cuerpos de agua, la vegetación o el calor interior de la tierra. En Colombia la producción de energía primaria proviene de la hidroelectricidad en un porcentaje de 64.1% 3, por la abundancia de agua en la mayoría de zonas del país, y en un segundo lugar de los combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) con un porcentaje de 30.8%, cuyas reservas se agotaran. Es necesario incursionar en otros tipos de producción de energía, que funcione con recursos renovables y esto conlleva a un estudio y desarrollo tecnológico. Para incursionar en este estudio se fabrica un prototipo de generador eólico con elementos reutilizables, y ubicarlo en una vivienda urbana, sector en el que no se ha incursionado. Se busca obtener electricidad casera, vale decir a baja escala. Gracias al desarrollo de este proyecto se puede analizar el comportamiento de los principales elementos que hacen parte de un generador y a sí observar la 3 6

22 interacción con el medio ambiente.. Desarrollar las distintas disciplinas vistas en el transcurso de la carrera, aplicar varios conceptos adquiridos. 7

23 3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Construir un prototipo de generador eólico de uso doméstico, con materiales reutilizables, que produzca energía eléctrica aprovechable. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Adecuar un motor para el prototipo a construir Análisis y estudio de vientos en el punto de ubicación Que el prototipo produzca energía. Elaboración de planos software de diseño. Realizar prueba de laboratorio al control electrónico Realizar el análisis económico en cuanto al ahorro energético 8

24 4. MARCO TEÓRICO Energía eólica es la energía proveniente del viento, o sea, la energía cinética generada por el movimiento de la masa de aire, ésta energía se puede transformar en varias formas de energía útiles para el hombre. La energía eólica tiene las siguientes ventajas: es gratuita, inagotable, y no daña el medio ambiente, pero cuenta con algunos inconvenientes como ser dispersa y aleatoria. Este tema de la generación eólica no es nuevo ni menor, considerando que involucra tecnología y desarrollo en innumerables áreas científicas. En los últimos años la investigación y los ensayos han permitido disminuir los costos de generación de las energías solar y eólica, pero todavía siguen siendo costosas. Los apoyos estatales tienen diversos mecanismos, desde exenciones tributarias hasta aportes directos de los gobiernos. Un mecanismo utilizado en algunos países consiste en obligar por ley a las empresas que atienden a los usuarios (en Colombia, los comercializadores) a comprar una parte de su electricidad a plantas a base de energías renovables. En otras naciones ha resultado un poco más exitoso garantizar con dineros públicos la diferencia entre los costos en que se ha incurrido efectivamente y el de eficiencia de las energías convencionales. 9

25 4.1 FORMACIÓN DEL VIENTO El calentamiento desigual de la superficie terrestre genera un movimiento de masas de aire, debido a la diferencia de densidades que se presenta en las mismas. La superficie de la Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol que en ciertos lugares puede llegar a ser del orden de 2000 Kw/m2 anuales. Aproximadamente el 2% de la energía solar recibida se transforma en energía eólica capaz de proporcionar una potencia del orden de1x1020 W, (el consumo mundial actual se estima en 15 TW, o sea 15X1012 W por año) 4 La Tierra funciona como una gran máquina térmica que transforma parte del calor solar en la energía cinética del viento; adicionalmente, debido a la acción de la fuerza de la gravedad sobre la masa de aire, ésta se desplaza de un lugar a otro a diferentes velocidades, generando un gradiente de velocidad que es mayor cuanto mayor es la diferencia de presiones; además, este movimiento viene influenciado por el giro de la tierra. Se puede entonces a firmar que las causas principales del origen del viento son tres: a) La radiación solar sobre la superficie terrestre que es mayor en la zona ecuatorial que en los Polos. b) La rotación de la Tierra que provoca desviaciones de masas de aire hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur. c) Las perturbaciones atmosféricas. El movimiento del aire en la tierra se rige por la siguiente relación entre aceleraciones: (a) absoluta = (a) relativa+(a) arrastre+(a) coriolis. 4 Directorio de energías renovables. (1 de Septiembre de 2008). Energias Renovables. Recuperado el 31 de Diciembre de 2010, de Energias Renovables 10

26 En las zonas en donde la radiación solar es más fuerte, como en el Ecuador, se acumula calor principalmente en los océanos, calor que, por el contrario, se pierde en las zonas polares; sin embargo, ni el Ecuador ni los Polos vienen a ser, por término medio, los lugares más calientes, o más fríos, de la superficie terrestre. Un ejemplo de la circulación general de los vientos alisios (Figura 1). Al calentarse el aire en zona ecuatorial asciende y es sustituido por el aire frio que está más próximo a los Polos, formándose la llamada circulación de Hadley, que se hace inestable a unos 30 de latitud. Este flujo no se proyecta directa-mente sobre los polos debido a la fuerza de Coriolis que aparece como consecuencia del movimiento de rotación de la tierra, que modifica su curso; esta fuerza depende de la velocidad del viento y de la rotación de la tierra, por lo que las masas de aire caliente se desplazan por esta circunstancia hacia el Este; la circulación general es semejante y simétrica en cada uno de los dos hemisferios, yendo de Oeste a este en el hemisferio norte. A nivel local existen varios tipos de vientos, que dependen de la topografía del terreno principalmente; entre ellos se pueden distinguir las brisas, las cuales son el resultado del movimiento del aire que se encuentra sobre la tierra y el mar en las costas, o sobre la tierra y el agua en los lagos durante el día y la noche, debido a los gradientes de presión que se presenta por la diferencia de temperatura que experimentan. La brisa marina diurna se produce por un descenso del gradiente de presión barométrica sobre la porción terrestre, como consecuencia del calentamiento, durante el día, de la capa inferior del aire que está en contacto con la tierra; debido a que la superficie del mar no se calienta con tanta intensidad, y permanece relativamente más fría. En 11

27 respuesta a éste gradiente de presión local, el aire se dirige hacia la tierra a baja altura. Figura 1. Representación gráfica del patrón global de la circulación general de los vientos Fuente: Atlas eólico del país Vasco La brisa marina es relativamente fría y proporciona un agradable alivio en una parte de la costa en las tardes calurosas. Por la noche se invierte el gradiente de temperatura debido al más rápido enfriamiento de la superficie terrestre; el gradiente de presión es ahora de la tierra hacia el mar, motivando un flujo de aire hacia el mar (brisa terrestre). Las condiciones locales influyen considerablemente en el potencial eólico de una zona a otra y puede suceder que dos lugares muy 12

28 próximos tengan una gran diferencia de condiciones eólicas. En el caso de los valles y las faldas de las montañas el aire se calienta durante el día y se va hacia las alturas, mientras que en la noche el aire frío, más pesado, baja hacia los valles (Figura 2). Figura 2. Formación de brisa en las costas durante el día Fuente: Fernández, POTENCIAL EÓLICO DEL VIENTO El potencial eólico depende de la velocidad y dirección del viento. La dirección del viento y su valoración a lo largo del tiempo desarrollan el sistema llamado rosa de los vientos; es un diagrama que representa la intensidad media del viento, a lo largo de un periodo de tiempo (por lo general es un año), en los 16 sectores en los que divide el círculo del horizonte (Figura 3). Según la velocidad del viento esté se 13

29 clasifica en a) Viento instantáneo: cuando se mide la velocidad del viento en un instante determinado. b) Viento medio aeronáutico: cuando se mide la velocidad media durante 2 minutos. c) Viento medio meteorológico cuando se mide la velocidad media durante 10 minutos. Figura 3. Ilustración gráfica de una rosas de vientos Fuente: Enciclopedia, Una manera efectiva de determinar los valores promedios globales del comportamiento del viento es por medio de la instalación de anemómetros totalizadores. Estos elementos son anemómetros de cazoletas con medidor de revoluciones que al ser accionados por el viento miden el recorrido equivalente que ha pasado a través del instrumento. Al estar conectado al odómetro se podrá 14

30 entonces establecer para un período dado de tiempo, el número de metros o kilómetros de recorrido. Esta relación entre el recorrido y el tiempo de medida, permite entonces conocer la velocidad promedio del viento. Así por ejemplo, si el período de medida del recorrido del viento es de una hora y se registran que han pasado 16.2 Km. de viento; la velocidad horaria será de 16.2 Km. por hora (4.5 m/s promedio horario). La medición de la velocidad del viento se debe realizar a una altura de 2, 10, 50 o 100 m sobre cualquier superficie libre de obstáculos. La velocidad media del viento puede variar entre 3 y 7 m/s, según diversas situaciones meteorológicas; es elevada en las costas, (más de 6 m/s), así como en algunos valles más o menos estrechos. En otras regiones es, por lo general, de 3 a 4 m/s, siendo bastante más elevada en las montañas, dependiendo de la altitud y de la topografía. La velocidad media del viento es más débil durante la noche, variando muy poco, y aumenta a partir de la salida del sol, alcanzando un máximo entre las 12 y 16 horas solares. 4.3 ESCALAS DEL VIENTO Vientos de Escala Media Las variaciones de la superficie terrestre con escala horizontal de 10 a 100 Kilómetros tienen una influencia en el flujo de viento entre los 100 y 1,000 metros de altura sobre el terreno. Obviamente, la topografía es importante y los vientos tienden a fluir por encima y alrededor de montañas y colinas. Cualquier otro obstáculo (o rugosidad) sobre la superficie terrestre de gran tamaño desacelera el flujo de aire. A manera de ejemplo se ilustran dos tipos de 15

31 vientos de escala media o de naturaleza local como son la brisa marina y los vientos de montaña Vientos de Escala Micro En una escala micro, los vientos de superficie (entre 60 y 100 metros sobre el terreno), los cuales son los más interesantes para la aplicación directa de la conversión de la energía eólica, son influenciados por las condiciones locales de la superficie, como la rugosidad del terreno (vegetación, edificios) y obstáculos. 4.4 FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DEL VIENTO Rugosidad A una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilómetro, la superficie terrestre apenas ejerce influencia alguna sobre el viento. Sin embargo, en las capas más bajas de la atmósfera, las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre. En la industria eólica se distingue entre rugosidad del terreno, la influencia de los obstáculos, y la influencia del contorno del terreno, también llamada orografía del área se estudia de la orografía cuando se investiga los llamados efectos aceleradores, a saber: el efecto túnel y el efecto colina Clases de rugosidad 5 En la industria eólica, la gente suele referirse a clase de rugosidad o longitud de rugosidad cuando se trata de evaluar las 5 AUTOR: Ignacio Fernández Marín MADRID, Junio 2008Selección de Estrategias de Crecimiento 16

32 condiciones eólicas de un paisaje. Una alta rugosidad de clase 3 ó 4 se refiere a un paisaje con muchos árboles y edificios, mientras que a la superficie del mar le corresponde una rugosidad de clase 0. Las pistas de hormigón de los aeropuertos pertenecen a la clase de rugosidad 0.5, al igual que el paisaje abierto y llano pacido por las ovejas. La definición exacta de clase de rugosidad y longitud de rugosidad puede ser encontrada en el manual de referencia. El término longitud de rugosidad es en realidad la distancia sobre el nivel del suelo a la que teóricamente la velocidad del viento debería ser nula Efecto túnel 6 Si el viento toma un camino entre dos edificios altos o en un paso estrecho entre montañas observa que se da el mismo efecto: el aire se comprime en la parte de los edificios o de la montaña que está expuesta al viento, y su velocidad crece considerablemente entre los obstáculos del viento. Esto es lo que se conoce como "efecto túnel". Así pues, incluso si la velocidad normal del viento en un terreno abierto puede ser de, 6 metros por segundo, en un "túnel" natural puede fácilmente alcanzar los 9 metros por segundo. Situar un aerogenerador en un túnel de este tipo es una forma inteligente de obtener velocidades del viento superiores a las de las áreas colindantes. Para obtener un buen efecto túnel el túnel debe estar suavemente" enclavado en el paisaje. Empresarial en el sector de la industria eólica UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS 6 AUTOR: Ignacio Fernández Marín MADRID, Junio 2008Selección de Estrategias de Crecimiento Empresarial en el sector de la industria eólica UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS 17

33 4.4.4 En el caso de que las colinas sean muy accidentadas, puede haber muchas turbulencias en esa área, es decir, el viento soplará en muchas direcciones diferentes (y con cambios muy rápidos). Si hay muchas turbulencias, la ventaja que supone la mayor velocidad del viento se verá completamente anulada, y los cambios en el viento pueden causar roturas y desgastes innecesarios en el aerogenerador Efecto colina 7 Una forma común de emplazar aerogeneradores es situándolos en colinas o estribaciones dominando el paisaje circundante. En particular, siempre se supone una ventaja. En las colinas, siempre se aprecian velocidades de viento superiores a las de las áreas circundantes. Una vez más, esto es debido a que el viento es comprimido en la parte de la montaña que da al viento, y una vez el aire alcanza la cima de la colina puede volver a expandirse al descender hacia la zona de bajas presiones por la ladera a sotavento de la colina. El viento empieza a inclinarse algún tiempo antes de alcanzar la colina, debido a que en realidad la zona de altas presiones se extiende hasta una distancia considerable enfrente de la colina. También se dará cuenta de que el viento se hace muy irregular una vez pasa a través del rotor del aerogenerador. Al igual que ocurría anteriormente, si la colina es escarpada o tiene una superficie accidentada, puede haber una cantidad de turbulencias significativa, 7 AUTOR: Ignacio Fernández Marín MADRID, Junio 2008Selección de Estrategias de Crecimiento Empresarial en el sector de la industria eólica UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS 18

34 que puede anular la ventaja que supone tener unas velocidades de viento mayores. 4.5 DESCRIPCIÓN ESTADÍSTICA DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO Distribución De Weibull La curva de distribución de Weibull es la que mejor se adapta a los datos estadísticos de las velocidades de los vientos que se pueden registrar en una zona a lo largo de un año. Tal como se puede apreciar en la figura 4 esta curva indica con qué probabilidad se puede observar una determinada velocidad de viento dentro del universo de muestras obtenidas. El área bajo la curva vale 1. El viento promedio se define como aquel que corta el área bajo la curva justo en la mitad. Esto significa que el área a la derecha del viento promedio es igual al área de la izquierda. De la misma forma en el gráfico muestra una distribución de probabilidad. El área bajo la curva siempre vale exactamente 1, ya que la probabilidad de que el viento sople a cualquiera de las velocidades, incluyendo el cero, debe ser del 100%. La mitad del área azul está a la izquierda de la línea negra vertical a 6,6 metros por segundo. Los 6,6 m/s son la mediana de la distribución. Esto significa que la mitad del tiempo el viento soplará a menos de 6,6 m/s y la otra mitad soplará a más de 6,6 m/s. Puede preguntarse por qué la velocidad del viento media es de 7 m/s. La velocidad del viento media es realmente el promedio de las observaciones de la velocidad del viento que se muestran en ese emplazamiento. Como se observa, la distribución de las velocidades del viento es sesgada, es decir, no es simétrica. A veces 19

35 tendrá velocidades de viento muy altas, pero son muy raras. Por otro lado, las velocidades del viento de 5,5 m/s son las más comunes. Los 5,5 metros por segundo es el llamado valor modal de la distribución. Si se multiplica cada diminuto intervalo de la velocidad del viento por la probabilidad de tener esa velocidad particular, y se suman todos, se obtiene la velocidad del viento media. La distribución estadística de las velocidades del viento varía de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climáticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto, la Distribución de Weibull puede variar tanto en la forma como en el valor medio. Figura 4. Curva de distribución del viento de Weibull Fuente: Tomado de consulta realizada el 23 agosto del

36 4.6 AEROGENERADOR 8 Un generador eléctrico es un aparato capaz de mantener una diferencia de cargas eléctricas entre dos puntos, transformando otras formas de energía en energía mecánica y posteriormente en una corriente alterna (aunque esta corriente alterna puede ser convertida a corriente directa con una rectificación). Para construir un generador eléctrico se utiliza el principio de inducción electromagnética descubierto por Michael Faraday en 1831, y que establece que si un conductor eléctrico es movido a través de un campo magnético, se inducirá una corriente que fluirá a través del conductor. Debido a que una de los elementos fundamentales de la materia es precisamente la carga electromagnética compuesta de un campo magnético y un campo eléctrico asociado al movimiento de las partículas. Un generador utiliza bosones del campo magnético para energizar cinéticamente electrones y provocar una interacción con otros electrones, que tiene como consecuencia la generación de la corriente eléctrica y un voltaje. Al manipular una fuerza electromagnética se puede inducir el desplazamiento o movimiento de electrones, y como consecuencia se producirá una corriente eléctrica. Desde un punto de vista eléctrico, los componentes de un generador son un campo magnético, y un objeto que rota en las inmediaciones de dicho campo magnético, y que conduce la electricidad generada hacia un circuito

37 4.6.1 Tipos de generador eólico Existen máquinas eólicas que van desde pequeñas potencias, a las grandes máquinas de varios Mega Watts; hay numerosos dispositivos que permiten el aprovechamiento de la energía eólica, pudiéndose hacer una clasificación de los mismos según la posición de su eje de giro. Respecto a la dirección del viento. Por lo tanto una primera clasificación divide a las máquinas eólicas en dos grupos: de eje horizontal y del eje vertical. Las máquinas eólicas de eje horizontal (Figura 5a), requieren contar con una velocidad del viento tanto en dirección como en magnitud, con valores relativamente constantes, para obtener en las hélices (o palas) una velocidad angular ω uniforme. Por el contrario, las máquinas eólicas de eje vertical, pueden estar sometidas a un viento aparentemente variable, en su dirección, para mantener condiciones regulares en la velocidad angular, razón por la cual, el flujo aerodinámico resulta complicado para su estudio, por lo que se ignora, en muchas ocasiones, las verdaderas posibilidades de estas máquinas. Ejemplos de ellas son el rotor Savonius y el aerogenerador Darrieux (Figura 5b). 22

38 Figura 5. Tipos de generador eólico. a. Generador de eje horizontal. (1) Multípara (2) hélice. b. Generador de eje vertical. (1) Rotor Savanius (2) Rotor Darrieux 23

39 5. MATERIALES Y MÉTODOS 5.1 MATERIALES - Un motor de una planta eléctrica referencia 950 W monofásica portátil - Acero inoxidable para la realización de ejes y buje - Material tubo de PVC - Un disco de madera ½ de espesor - Dos discos de hierro de ¼ de espesor - Una lámina de acrílico de ¼ de espesor. Cuyas medidas son 50cm x 100 cm - 3 m de tubo en forma cuadrada de hierro de 1 de espesor - Dos platinas de hierro de 20cm x 40cm - Un rodamiento referencia: R - Un tornillo y tuerca central - Tarjeta fuente electrónica - Tarjeta electrónica de conversión 12V a 110 W - Cable No. 12 AWG - Pegante o soldadura para tubos PVC, líquido limpia contacto - Pintura color negro - Tornillos en general de varias medidas - Tubo en aluminio cuadra de 1 24

40 5.2 MÉTODOS Adecuación del motor Se compró una planta eléctrica de 950W monofásica, que anteriormente había sido utilizada. Posteriormente se procedió a desarmar la planta y selecciona el motor, el cual presenta las características que se resumen en la Tabla 1. El motor se limpió con líquidos limpia contactos, se revisaron los rodamientos, el rotor, el eje del rotor y el embobinado. Tabla 1. Características del motor a utilizar para el prototipo proveniente de la planta eléctrica Características Marca del motor Descripción Domopower Velocidad (RPM) 3600 Frecuencia 60HZ Potencia en Kva 1.0 Voltaje 110 Número de fases 1 25

41 5.2.2 Fabricación de buje y eje Se toman dimensiones al eje del rotor para poder empalmar al eje y el buje de las aspas. Posteriormente se tomó una barra de acero inoxidable para la fabricación del eje, la cual se maquinó en un torno paralelo. Para la fabricación del buje se utilizó una barra de acero inoxidable con las siguientes características: longitud de 130mm, en uno de sus extremos se hizo un cono ajuste 20mm de longitud por 15 mm de diámetro en este mismo se hizo una rosca interna de M8 con paso 1.25 con profundidad de 30 mm, en el otro extremo se realiza una rosca M10 por 1.5 profundidad 30mm Fabricación de discos Se tomó una lámina de 6,35mm acero cold rolled, a la cual se le dio la forma circular utilizando una máquina de corte por plasma. Se generaron dos discos (a y b) los cuales se refrendaron en un torno paralelo, con las siguientes medidas: diámetro interno: 30mm; diámetro externo: 170mm con agujeros de M5 paso de 0,7 mm. Posteriormente al disco (a) se le realizaron medidas simétricas con el fin de ubicar las 3 posiciones en donde quedarían ubicadas las aspas. En cada posición que fue previamente determinada se realizaron tres huecos con rosca de M5 paso 0,7 pasantes. Al disco (b) se le realizaron medidas simétricas con el fin de ubicar las 4 posiciones donde quedarían ubicadas las aspas. En cada posición 26

42 que fue previamente determinada se realizaron tres huecos con rosca de M5 paso 0,7 pasantes. Adicionalmente se realizó un disco de madera, al cual se le realizó previamente medidas simétricas con el fin de ubicar las 3 posiciones en donde quedarían ubicadas las aspas. En cada posición que fue previamente determinada se realizaron tres huecos para tornillos auto perforantes Fabricación de aspas Para obtener la longitud de cada aspa se realizaron los siguientes pasos: 1) Se estableció la velocidad del viento del sector de Usme mediante los datos obtenidos por el servicio del IDEAM, dado que los datos fueron suministrados en nudos/s se realizo la converción a ( ) Se calculó el área de barrido de las aspas utilizando la siguiente formula: Donde: = Área de barrido = energía útil que puede producir el aerogenerador = energía para un aerogenerador pequeño = Factor de potencia = Corrección de altitud 27

43 = Corrección de temperatura 3) Posteriormente se calculó el diámetro siguiendo la fórmula: donde, = Área de barrido Finalmente se calculó el radio: Se tomaron tubos de PVC de diferentes diámetros y teniendo en cuenta los cálculos de la longitud, se cortó el tubo de forma trasversal con una herramienta llamada caladora. A las partes resultantes se les realizó nuevamente un corte en forma horizontal con un ángulo de 60 grados Fabricación de la coleta y base para el aerogenerador Con el fin de direccionar el generador se fábrico una coleta, utilizando dos lámina de acrílico de 5 mm de espesor en las cuales se trazó la forma de coleta y se realizó el corte con una caladora. Para mantener las láminas paralelas se colocaron dos piezas de tubo cuadrado en aluminio en el centro y posteriormente se sujetaron en el centro. Adicionalmente en la parte frontal de la coleta se le instaló un tubo cuadrado de aluminio, esto con el fin de ensamblarlo con el 28

44 generador del prototipo. Para la fabricación de la estructura de la base del aerogenerador se reutilizó una silla fija Armado completo del aerogenerador Se realizó el ensamblaje del motor, al cual se le realizó el ensamble de la coleta, posteriormente las aspas fueron ensambladas a sus respectivos discos, finalmente todo fue acoplado a la base Ensamble electrónico y de almacenamiento Para desarrollar este punto se reutilizó una tarjeta fuente de un cargador de baterías para carro, la cual nos proporcionó 12 V. Esta tarjeta está conformada por un transformador de 110 V AC y un rectificador de señal. Para el almacenamiento de este voltaje se reutilizó una batería de carro. Adicionalmente se fabricó una tarjeta conversora. Finalmente se realizó el ensamble de todas las partes para conformar la unidad de almacenamiento. 29

45 6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 6.1 ADECUACIÓN DEL MOTOR En la figura 6 se presenta la secuencia realizada para la adecuación del motor. Desde la desarmada (Figura 6B), la limpieza de cada parte (Figura 6C-D) hasta la obtención del motor con las adecuaciones realizadas para este proyecto. Este es el primer trabajo en donde se emplea un motor de una planta eléctrica reutilizable (Figura 6A) para realizar un prototipo de aerogenerador. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. En este proceso fue necesario cambiar el eje de la ventabiola (Figura 6E), el cual era movido por el pistón del motor. Este fue reemplazado por un eje recto (Figura 6F), el cual fue elaborado en acero inoxidable con un ajuste cónico y en sus extremos se realizó una rosca interna (Figura 7), esto con el fin de realizar el ajuste cónico con la otra parte del eje original que tenía el motor (Figura 6H). La finalidad del otro extremo con la rosca interna fue para realizar la sujeción al nuevo buje elaborado (Figura 6G y 7) con los discos y a su vez con sus respectivas aspas. 30

46 Figura 6. Secuencia de adecuación del motor. A. Planta eléctrica reutilizada. B. Desarme de planta. C. Motor. D. Rotor y colector del motor. E. Ventabiola del motor. F. Buje y eje nuevo. G. Buje nuevo. H. Motor adecuado. Fuente: Fotos tomadas por los autores 31

47 Figura 7. Diseño elaborado para la fabricación del buje y eje nuevo Fuente: Diseño realizado por los autores utilizando el software inventor CAD 3D 6.2 FABRICACION DE DISCOS En la figura 8 se presenta la elaboración de los discos que se usaron para el ensamblaje de las aspas. Como a modo prueba se tomó un pedazo de madera, al cual se cortó con forma de circunferencia, adicionalmente se le realizó un hueco interno (Figura 8B) en donde se apoyará el buje descrito en la figura 6G. Posteriormente a cada disco se le marcaron puntos de una manera equitativa tal y como lo muestran la Figura 8A y B. Sobre cada punto marcado se procedió a taladrar con broca de 3 mm (Figura 8C). Sobre cada hueco generado en el disco se utilizó una herramienta de corte o un macho de 5 mm con el fin de moldear la rosca (Figura 8D). Finalmente se obtuvieron los discos con la posición para cada aspa y sus respectivos huecos roscados para su posterior ajuste. Se obtuvieron dos discos, uno para que pudiera sostener tres aspas (Figura 7E) y el otro para 32

48 que pudiera sostener cuatro aspas (Figura 7F). El disco de madera fue reemplazado por un disco de acero coll rolled, aunque es muy bien conocido que la madera es dócil y más liviana frente a la potencia del viento, su gran desventaja radica en el deterioro ante los factores ambientales, como la humedad, la lluvia, el sol entre otros. Por esta razón se utilizó el acero inoxidable, ya que este contiene una elevada resistencia a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales aleantes que contiene, poseen gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa protectora, evitando así la corrosión del hierro por efectos ambientales. Figura 8. Secuencia presentado la elaboración de los discos. A. Disco de madera. B Marcación del diámetro. C. Taladrado de cada punto. D. Elaboración de la rosca interna. E. Disco final con tres posiciones. F. Disco final con cuatro posiciones. Fuente: Fotos tomadas por los autores. 33

49 6.3 FABRICACION DE ASPAS En la figura 9 se presenta la secuencia para la elaboración de las aspas. Las aspas son las partes más importantes de un aerogenerador eólico, pues su función es hacer girar el rotor, que a su vez girarán las bobinas generando el flujo magnético, el cual producirá electricidad. Las aspas disponen de un sistema de control de forma que su ángulo de ataque varía en función de la velocidad del viento. Esto permite controlar la velocidad de rotación para conseguir una velocidad de rotación fija con distintas condiciones de viento. El material utilizado fue PVC (Poli cloruro de vinilo) (Figura 9A), por ser el derivado del plástico más versátil, tiene una muy buena resistencia eléctrica y es un material de consistencia rígida. Adicionalmente el PVC se caracteriza por ser dúctil y tenaz; presenta estabilidad dimensional y resistencia ambiental. Al mismo tiempo, es un material reciclable por varios métodos. El tubo de PVC fue cortado de forma transversal (Figura 9A) según la longitud obtenida de la fórmula del área de barrido, teniendo en cuenta que la cantidad de potencia que puede ser generada por el aspa dependerá de la longitud de la misma. Las aspas más largas son capaces de atrapar más aire. Las primeras aspas las cuales fueron realizadas sin ningún tipo de cálculo se construyeron con una longitud de 75 cm y un diámetro de 3 pulgadas (Figura 9C), sin embargo estas aspas fueron utilizadas de manera experimental debido a que estas no pudieron vencer la inercia del motor y por ende no se generó la potencia esperada. Por lo anterior se calcularon los siguientes parámetros para el diseño de las aspas: 34

50 1. Área de barrido: El factor de potencia (F) fue determinado a partir de la velocidad del viento de la localidad de Usme la cual fue: 13,42 millas/h utilzando la tabla del factor de potencia (Anexo 1), dando como resultado que Factor de potencia es de 11,3. El valor de la corrección de altitud (CA), fue determinado a partir de la tabla del anexo 2, tomando como altura msnm, dando como resultado un valor de corrección de altura de 0,744. Para la corrección de temperatura (CT) en el sector se tomó una temperatura promedio de ±16º C, a partir de la tabla del anexo 2, dando como resultado un valor de corrección de temperatura de Con el dato del Área de barrido obtenido anteriormente se calculó el diámetro: 3. Con el valor del diámetro se determinó el radio : 35

51 Con lo anterior se determinó que la longitud de las aspas es de 1,5 m. Las aspas de cuatro palas fueron construidas con una longitud de 1,5 m y una diámetro de 4 pulgadas (Figura 9D); debida a la longitud de estas aspas y al grosor del material, durante las fases de prueba se observó que estas no soportaban la potencia del viento lo cual hizo que las palas se doblaran, por lo anterior fue necesario realizar un soporte de apoyo para cada pala en la base (Figura 9E). Figura 9. Secuencia presentado la elaboración de las aspas. A. Tubo de PVC. B. Respectivos cortes en el tubo PVC. C. Diseño del aspa. D. Tres aspas ensambladas en el disco. E. Cuatro aspas ensambladas en el disco. F. Aspas con soporte interno. Fuente: Fotos tomadas por los autores. 36

52 6.4 FABRICACION DE LA COLETA En la figura 10 se presenta la secuencia para la elaboración de la coleta. Esta parte del aerogenerador es un sistema de orientación mecánico, que mantiene a las aspas del generador frente al viento para aprovechar al máximo su energía. Permite también tener un control mecánico de velocidad de la turbina que limite su velocidad angular a un punto donde el generador eléctrico no produzca excesiva electricidad que ponga en peligro su capacidad nominal.en primer lugar se realizó el diseño proporcional al tipo de motor (Figura 10 A), posteriormente se dibujaron sobre una lámina de acrílico (Figura 10B) y se cortaron con una caladora obteniendo dos láminas de grosor de 3 mm de las mismas dimensiones (Figura 10C). Las dos laminas fueron unidas con un tubo cuadrado de aluminio de 1 pulgada para obtener una mayor estabilidad (Figura 10D) y se realizó el acople al motor uniendo la coleta mediante un eje pasador (Figura 10E). La coleta diseñada tiene las siguientes medidas 430 mm de largo y de alta 450 mm. 37

53 Figura 10. A. Diseño para la elaboración de la coleta. B. Corte de las láminas de acrílico. C. Láminas de acrílico. D Unión de las dos láminas de acrílico con un eje central. E. Acople de la coleta al motor. Fuente: Fotos tomadas por los autores. Para la fabricación de la base fue necesario tener en cuenta el peso del generador con discos, aspas y la coleta. En primer lugar se reutilizó la base de una silla fija, la cual fue acondicionada en la parte superior, soldando una lámina de 9.52mm con medidas de 110mm x 235mm. En el centro de esta lámina fue ajustado un rodamiento (6002 2rs) sobre este rodamiento se ubicó un tornillo eje para que sostuviera una lámina base para soportar el peso del generador y a su vez permitiera el movimiento sobre su mismo eje (Figura 11). 38

54 Figura 11. Base construida para el aerogenerador Fuente: Fotos tomadas por los autores. 6.5 ARMADO COMPLETO DEL AEROGENERADOR Se le realizó un ajuste al eje del rotor del motor agregando el nuevo eje el cual va a sostener las aspas. Posteriormente se re ensamblan todas las demás partes que constituyen el motor. Las aspas fueron sujetadas a cada disco, con tres tornillos de 6,35 mm por cada aspa, teniendo en cuenta el trazo y la división del diámetro que se realizó anteriormente para equilibrar en peso de cada peso en cada disco. 39

55 La coleta se acopló al motor con los discos y las aspas respectivas, por medio de un eje tornillo. Todo este conjunto de parte fue colocado sobre la base metálica (Figura 12). Este tipo de aerogeneradores en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al suelo. Ésta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias. Figura 12. Armado del aerogenerador Fuente: Diseño por los autores. 40

56 6.6 ENSAMBLE ELECTRÓNICO Y DE ALMACENAMIENTO La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada. Los inversores se utilizan, en pequeñas fuentes de alimentación, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por baterías, en corriente alterna y de esta manera poder ser usados en instalaciones eléctricas aisladas. Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda rectangular. Esta onda rectangular alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberían ser senoidal. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de (PWM) (pulse-width modula tión) logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores. Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac's o los IGBT's. Los inversores más eficientes utilizan varios artificios electrónicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda. 41

57 Figura 13. Ensamble de almacenamiento. A. Transformador y puente rectificador B. Batería de 12v C. Tarjeta amplificadora D. Transformador elevador. Fuente: Fotos tomadas por los autores. Diagrama De Bloques: Convertidor de 12VDC a 120VAC Muestra los bloques que conforman el circuito electrónico de un Convertidor de 12VDC a 120VAC con los planos electrónicos y explicación para entender su principio de funcionamiento ver anexo

58 6.7 PRUEBAS DE LABORATORIO INVERSOR El día 21 de agosto del 2013 se realiza pruebas en el laboratorio de electrónica ITC. Se solicitan los siguientes elementos al coordinador de laboratorio: Multímetro RMS Pinza amperimetrica RMS Osciloscopio Transformador de 9VDC a 110VDC Fuente de 12VDC a 3 Amp máx. Se inicia el laboratorio midiendo la carga de la batería la cual estuvo cargando anteriormente con el prototipo del generador la medida obtenida es de 12,03VDC, luego se conectó el inversor y se toma la siguiente medida en la salida del transformador de 12VDC a 11V0AC. Se instala osciloscopio marca RIG nm Ol, se calibra para realizar la medida en los parámetros, voltaje en un rango de 10v y un tiempo de 5ms, frecuencia, de 60Hz, se utiliza el canal 1 banda 20m se hace medida del voltaje 120V de la red, esto con el fin de comparar con las medidas del conversor como lo muestra la figura 14, para comparar posteriormente la onda producida por el inversor. Se identifica la fase y se conectan las puntas de osciloscopio al inversor dando como resultado una imagen de la onda seno risada y con picos muy altos; al realizar esta misma medida con una carga de tres 43

59 bombillos de 120V a 20w se observa una onda tipo diente de sierra. Para mejora dicha onda se procede a subir la frecuencia a 70 Hz con el potenciómetro que se encuentra en la tarjeta inversora el resultado que se obtiene es que no soporta la carga por ende los bombillos no encienden, para restaurar el funcionamiento de la carga se opta por dejar funcionado la tarjeta en una frecuencia de 45.8Hz. Como conclusión se afirmar que para mejorar el rendimiento de esta tarjeta se pueden agregar dos transistores IRF 244 en paralelo a los transistores IRF 244. Figura 14. Diagrama De Bloques: Convertidor de 12VDC a 120VAC Fuente: los autores. El trasformador de potencia (Figura 15) es un dispositivo que sirve para transferir energía eléctrica de un circuito a otro, utilizando el principio de la inducción magnética. Está conformado por dos bobinas, una de ellas se conecta al circuito de entrada y otra al de salida dichas bobina están hechas de alambre de cobre esmaltado que se enrolla sobre un núcleo de material ferro magnético. Se utiliza para elevar o reducir el voltaje según sea la necesidad 44

60 Una bobina primaria y lo convierte a dos tensiones de 12v AC en el secundario: esto se ve en el diagrama marcado como 12 o 12 Los voltajes de corriente alterna obtenidos se deben pasar corriente directa o continua; este proceso se llama rectificación, para realizar dicha rectificación se utiliza un puente rectificador o cuatro (4) diodos conectados. El transformador es el encargado de reducir la tensión de la entrada de la línea AC. 9 Al igual que sucede con todos los circuitos electrónicos, el convertidor también está conformado por bloques y estos a su vez por componentes que cumplen una función específica. La interconexión de estos bloques da como resultado un circuito completo y muy útil, en este caso un Convertidor que siempre tendrá energía. Figura 15. Transformador Fuente: los autores. 9 1http://ladelec.com/productos/como-pagar.html 45

61 Es el bloque más sencillo, ya que está conformado por un elemento único: Un transformador de 12 Voltios en el primario y 110V en el secundario. La potencia será de acuerdo a la necesidad planteada y en nuestro caso asignaremos una potencia de 170W. Es un bloque relativamente fácil y está conformado por los transistores de potencia (Figura 16) que Amplifican la señal de la tarjeta osciladora (Bloque 2) y aplican su salida al transformador elevador (Bloque 4). Los transistores utilizados son: IRF 244 Y 2N2222 con su respectivo disipador de calor. Los diodos son 1N Son necesarios en vista de que los transistores van a manejar una carga inductiva (el transformador). Como se observar es la batería de 12VDC y la línea de alimentación de 120VAC. Ambas son las entradas de energía del circuito. Si falla una entra la otra y viceversa. Figura 16 Transistores. 46