Aerogenerador eólico tripala. Julio Lucas Warthon Ascarza Juan José Zuñiga Negrón Jesús Rubio Cáceres Rubén Inglés Atauchi

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1 Aerogenerador eólico tripala Julio Lucas Warthon Ascarza Juan José Zuñiga Negrón Jesús Rubio Cáceres Rubén Inglés Atauchi

2 AEROGENERADOR EÓLICO TRIPALA Primera edición Enero, 2012 Lima - Perú Julio Lucas Warthon Ascarza Juan José Zuñiga Negrón Jesús Rubio Cáceres Rubén Inglés Atauchi PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0562 Editor: Víctor López Guzmán guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlopster twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El per sonal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 X Simposio Peruano de Energía Solar AEROGENERADOR EOLICO TRIPALA (2-2.1) Mg. Julio Lucas Warthon Ascarza, Est. Juan José Zuñiga Negrón, Est. Jesús Rubio Cáceres, Est. Rubén Inglés Atauchi C.C.PP. FISICA UNSAAC Cusco Perú U N S A A C INTRODUCCIÓN La crisis energética vivida en la década del 70 conllevo a estudios sobre las reservas energéticas de los distintos países para planear su explotación futura y crear conciencia de la necesidad de disminuir el consumo dentro de los límites compatibles con el desarrollo de las naciones. La disponibilidad de energía es indispensable para la sociedad moderna; sin embargo, la atención pública prestada a todos aquellos procesos que tienen que ver con la conversión, puesta en servicio y el uso racional de la energía generalmente es mínima, con la notoria excepción de las crisis energéticas. Los recursos energéticos convencionales como son los de origen fósil se están agotando, como es el caso del petróleo que durará aproximadamente 50 años, el gas probablemente dure 80 años y el carbón unos 120 años, esta situación ha conllevado a una reflexión de políticos, científicos, técnicos y de algunos sectores de la sociedad, lo cual ha dado lugar a un nuevo paradigma ecológico que involucra las energías renovables. Los países desarrollados tecnológica y económicamente vienen realizando investigaciones y a la vez aplicando los avances de las energías renovables a sus problemas energéticos y de contaminación ambiental, es así que desde la década de los 70 se vienen implementando centrales solares (SFV), termosolares, parques eólicos, etc., que viene dando energía a grandes ciudades y poblados rurales.

6 X Simposio Peruano de Energía Solar ELECTRIFICACION RURAL El objetivo principal de nuestro trabajo es la de contribuir a electrificar las zonas rurales de nuestra región, puesto que la falta de energía eléctrica es causa de muchos problemas sociales y del subdesarrollo, puesto que la energía es un indicador del progreso de una sociedad. Del total de la población, aproximadamente un 35 % no tiene acceso a la energía eléctrica, el sector rural y las comunidades selváticas que no tienen electrificación hacen un 25 % de la población total. Pensamos que la universidad, los institutos y empresas privadas tienen el gran reto histórico de transferir los conocimientos científicos y tecnológicos de las energías renovables a las zonas rurales para la solución de la falta de energía. Un aerogenerador eólico es un sistema que transforma la energía del viento en energía eléctrica, a través del tiempo se ha ido perfeccionando hasta la actualidad, desde los molinos de viento hasta los grandes aerogeneradores de gran potencia. En el año 2000 comenzamos ha construir aerogeneradores a nivel experimental, el primero fue de 2 metros de diámetro y actualmente se tiene un aerogenerador de 3 metros de diámetro y que nominalmente puede alcanzar hasta ½ Hp de potencia, con una base de 4.4 m de altura. COMPONENTES DE LA BARQUILLA DEL AEROGENERADOR - Rotor - Grupo de impulsión - Engranaje - Generador - Sistema de orientación - Torre COMPONENTES DE LA BARQUILLA DEL AEROGENERADOR Rotor Grupo de Engran Alterna d Sistema de Torre AEROGENERADOR EOLICO TRIPALA

7 X Simposio Peruano de Energía Solar INFLUENCIA DE OBSTÁCULOS Velocidad del viento A d

8 X Simposio Peruano de Energía Solar EXRACCION DE LA ENERGIA DEL VIENTO ENERGIA CINETICA E = 1 2 c mv 2 m : masa del viento v : velocidad del viento POTENCIA DELVIENTO P = 1 2 ρ Av 3 Para una densidad y área constante, la potencia depende del cubo de la velocidad del viento. POTENCIA MECANICA La turbina de viento solo extrae una parte de la potencia del viento, a la cual se le denomina potencia mecánica. P = C P mec p viento C p se denom ina coeficiente de potencia. F1 Pmec = Cp H G I Av K J 2 ρ 3 COEFICIENTE DE POTENCIA (EFICIENCIA AERODINAMICA) Mide la relación entre la potencia que el viento puede desarrollar y la potencia desarrollada por la turbina de viento. Pmec CP = Pviento Su valor se encuentra entre 0 y 0.5. VALORES TIPICOS Turbinas de sustentación: Turbinas de arrastre : POTENCIA ELECTRICA Parte de la potencia mecánica se convierte en potencia eléctrica, típicamente se convierte el 90 % de la energía mecánica en energía eléctrica. PERDIDAS Las perdidas se producen en el sistema de transmisión mecánica y en el generador (alternador) y los cuales se pueden medir a través de los siguientes coeficientes: η m : eficiencia mecánica η e : eficiencia eléctrica La potencia eléctrica es: P =η η P elec m e mec PERTIDAS DE POTENCIA Transmisión mecánica Generador Pérdida aerodinámica Pérdida mecánica Pérdida eléctrica Potencia en el viento Potencia eléctrica

9 X Simposio Peruano de Energía Solar ANALISIS DE LA POTENCIA EN EL CUSCO La potencia del viento a la presión dinámica en la sección de captación del aerogenerador eólico es: 3 Pv = 05. ρ Av La densidad del aire en el Cusco es: 3 ρ=083, kg / m El área de captación de viento debido a las hélices es: A = π r 2 El radio de las hélices es 1.5 m, de aquí se tiene: A= π (1.5) 2 = 71. m 2 Luego: P = v.(. )(.) v P = v v Luego podemos determinar la potencia mecánica: P m = C p Pv Haciendo Cp = 0.35 para una velocidad promedio de 4 m/s Pm = C ( p 295. v 3 ) = 0.35 (2.95 v 3 ) = 103. P v m 3 La potencia eléctrica se determina asumiendo que las pérdidas por transmisión mecánica y por conversión en energía eléctrica es η m η e =0.9, es decir 90 % de la potencia mecánica es convertida en potencia eléctrica, luego: P = 09 e. v 3 Se midió la velocidad del viento con un anemómetro digital, a intervalos de un segundo aproximadamente; una de la pruebas se muestra en la siguiente tabla, y las respectivas potencias. v 3 TABLA DE VELOCIDADES Y v (m/s) Pv (W) Pm (W) Pe (W)

10 X Simposio Peruano de Energía Solar v(m/s) Tiempo (s) C U R V A D E P O T E N C I A : P v, P m y P e P o t e n c i a ( W ) P m = v 3 50 P e = 0.9 v V e l o c i d a d ( m / s ) 6 Pv Pm Pe

11 X Simposio Peruano de Energía Solar RACTERISTICAS VALORES DE UNA UNIDAD Diámetro 3 m Altura 4 m Potencia de salida ½ HP Generador ½ HP eléctrico Acumulador (batería de 12 V carro) Número de fluorescentes de 9 40 W Número de focos ahorradores 16 de 23 W Costo S/ GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA - Iluminación ambiental - Funcionamiento de equipos eléctricos domiciliarios - Funcionamiento de máquinas industriales ENERGIA MECANICA - Bombeo de agua para consumo humano e irrigación - Molinos de granos A continuación se muestran las fotos de los aerogeneradores bipala y tripala.

12 AEROGENERADOR EOLICO TRIPALA Mg. julio Lucas Warthon Ascarza Est. Juan José Zuñiga Negrón Est. Jesús Rubio Cáceres Est. Rubén Inglés Atauchi CC. PP. FISICA UNSAAC Cusco 21 de noviembre 2003 Perú

13 La crisis energética vivida en la década del 70 conllevo a estudios sobre las reservas energéticas de los distintos países para planear su explotación futura y crear conciencia de la necesidad de disminuir el consumo dentro de los límites compatibles con el desarrollo de las naciones.

14 Los recursos energéticos convencionales como son los de origen fósil se están agotando, como es el caso del petróleo que durará 50 años aproximadamente, el gas probablemente dure 80 años y el carbón unos 120 años, esta situación ha conllevado a una reflexión de políticos, científicos, técnicos y de algunos sectores de la sociedad, lo cual ha dado lugar a un nuevo paradigma ecológico que involucra las energías renovables

15 Los países desarrollados tecnológica y económicamente vienen realizando investigaciones y a la vez aplicando los avances de las energías renovables a sus problemas energéticos y de contaminación ambiental, es así que desde la década de los 70 se vienen implementando centrales solares, termosolares, parques eólicos, etc., que viene dando energía a grandes ciudades y poblados rurales.

16 ELECTRIFICACION RURAL El objetivo principal de nuestro trabajo es la de contribuir a electrificar las zonas rurales de nuestra región, puesto que la falta de energía eléctrica es causa de muchos problemas sociales y del subdesarrollo, puesto que la energía es un indicador del progreso de una sociedad.

17 Pensamos que la universidad, los institutos y empresas privadas tienen el gran reto histórico de transferir los conocimientos científicos y tecnológicos de las energías renovables a las zonas rurales para la solución de la falta de energía.

18 AEROGENERADOR EOLICO TRIPALA Un aerogenerador eólico es un sistema que transforma la energía del viento en energía eléctrica, a través del tiempo se ha ido perfeccionando hasta la actualidad, desde los molinos de viento hasta los grandes aerogeneradores de gran potencia.

19 En el año 2000 comenzamos ha construir aerogeneradores a nivel experimental, el primero fue de 2 metros de diámetro (bipala) y actualmente se tiene un aerogenerador de 3 metros de diámetro y que nominalmente puede alcanzar hasta ½ Hp de potencia, con una base de 4.4 m de altura.

20 COMPONENTES DEL AEROGENERADOR -Rotor - Grupo de impulsión - Engranaje - Generador - Sistema de orientación -Torre

21 Rotor Grupo de impulsión Engranaje Alternador Torre Sistema de orientación

22 Velocidad del viento A d

23 EXRACCION DE LA ENERGIA DEL VIENTO ENERGIA CINETICA E c = 1 2 mv 2 m : masa del viento v : velocidad del viento

24 POTENCIA DELVIENTO P = 1 2 ρ Av 3 Para una densidad y área constante, la potencia depende del cubo de la velocidad del viento

25 POTENCIA MECANICA La turbina de viento solo extrae una parte de la potencia del viento, a la cual se le denomina potencia mecánica. P mec = CP p viento

26 COEFICIENTE DE POTENCIA (EFICIENCIA AERODINAMICA) Mide la relación entre la potencia que el viento puede desarrollar y la potencia desarrollada por la turbina de viento. C P = P P mec viento Su valor se encuentra entre 0 y 0.5.

27 VALORES TIPICOS Turbinas de sustentación: Turbinas de arrastre :

28 POTENCIA ELECTRICA Parte de la potencia mecánica se convierte en potencia eléctrica, típicamente se convierte el 90 % de la energía mecánica en energía eléctrica.

29 PERDIDAS Las perdidas se producen en el sistema de transmisión mecánica y en el generador (alternador) y los cuales se pueden medir a través de los siguientes coeficientes: η m : eficiencia mecánica η e : eficiencia eléctrica

30 La potencia eléctrica es: P =η η P elec m e mec

31 PERTIDAS DE POTENCIA Transmisión mecánica Generador Potencia en el viento Pérdida aerodinámica Pérdida mecánica Pérdida eléctrica Potencia eléctrica

32 ANALISIS DE LA POTENCIA EN EL CUSCO La potencia del viento a la presión dinámica en la sección de captación del aerogenerador eólico es: P = 05 3 v. ρ A v

33 La densidad del aire en el Cusco es: ρ=083, kg / m 3 El área de captación de viento debido a las hélices es: A= π (1.5) 2 = 71. m 2 El radio de las hélices es 1.5 m, de aquí se tiene: A = π r 2

34 Luego: P =05.(. 083)(.) 71 v 3 v P v v =

35 Luego podemos determinar la potencia mecánica: P m = C p Pv Haciendo Cp = 0.35 para una velocidad promedio de 4 m/s P = C (. 295 v) = 0.35 (2.95 v) = 103. v m p P m v 3

36 La potencia eléctrica se determina asumiendo que las pérdidas por transmisión mecánica y por conversión en energía eléctrica es η m η e =0.9, es decir 90 % de la potencia mecánica es convertida en potencia eléctrica, luego: P e = 09. v 3

37 Tiempo (s) v(m/s)

38 C U R V A D E P O T E N C I A : P v, P m y P e P o t e n c i a ( W ) P m = v 3 50 P e = 0.9 v V e l o c i d a d ( m / s ) Pv Pm Pe

39 CARACTERISTICAS Diámetro Altura Potencia de salida Generador eléctrico Acumulador (batería de carro) VALORES DE UNA UNIDAD 3 m 4 m ½HP ½HP 12 V Número de fluorescentes de 40 W 9 Número de focos ahorradores de 23 W 16 Costo S/

40 GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA - Iluminación ambiental - Funcionamiento de equipos eléctricos domiciliarios - Funcionamiento de máquinas industriales ENERGIA MECANICA - Bombeo de agua para consumo humano e irrigación - Molinos de granos.

41 Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco Asociación Peruana de Energía Solar (APES) Universidad Nacional de Ingeniería X Simposio Peruano de Energía Solar Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para la Descontaminación y Desinfección de Agua Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003 Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo Cusco, de abril de 2004 Editado por: Manfred Horn Juan Rodriguez Patricia Vega Auspician Salir Ministerio de Industria y Turismo Municipalidad Provincial del Cusco Ministerio de Energía y Minas