Utilización de aerogeneradores en la mejora de las condiciones de seguridad en carreteras

Transcripción

1 Utilización de aerogeneradores en la mejora de las condiciones de seguridad en carreteras Cubo I

2 ÍNDICE INTRODUCCIÓN...3 ANTECEDENTES TEÓRICOS LA VELOCIDAD DEL VIENTO LA POTENCIA COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR...11 a) El eje del aerogenerador...12 b) El rotor. Las palas...13 c) Los generadores...14 d) La conexión a la red...16 e) La caja multiplicadora...16 f) El control de la potencia...16 g) El mecanismo de orientación...17 h) El sistema de refrigeración...17 i) La góndola...17 j) El anemómetro...17 k) La veleta...17 l) La torre CONSIDERACIONES BÁSICAS DE CARGA EL EMPLAZAMIENTO EJEMPLOS DE AEROGENERADORES...20 APLICACIÓN DE LA TEORÍA Y CÁLCULOS...21 APLICACIÓN EN ILUMINACIÓN DE CARRETERAS...28 EXPERIENCIA PRÁCTICA...30 BIBLIOGRAFÍA

3 INTRODUCCIÓN Nuestro trabajo trata el posible aprovechamiento de la velocidad del viento generado por el movimiento y paso de los vehículos por la red viaria. En él se propone que la velocidad del viento sea utilizada para la generación de energía eólica a través de aerogeneradores colocados en el límite de la plataforma de la carretera, situados a continuación del arcén y en el interior de una barrera. Hemos escogido este tema a investigar por la actual preocupación de la sociedad por el medio ambiente incluyendo aquí el considerable ahorro de energía que estos aerogeneradores podrían suponer. Además hemos tenido en cuenta que en España no se aprovecha este tipo de energía a pesar de sus grandes posibilidades en parte por los posibles impactos en el medioambiente que los grandes aerogeneradores causan como su localización frecuente en lugares apartados de elevado valor ecológico como las cumbres montañosas que por no encontrarse habitadas conservan su riqueza paisajística y de fauna puede provocar importantes impactos ecológicos, como el impacto visual, el ruido, la muerte de aves al chocar contra las aspas, etc. además de los causados por las infraestructuras que es necesario construir para el transporte de la energía eléctrica hasta los puntos de consumo. Sin embargo con nuestros generadores este gran inconveniente es salvado ya que serían colocados en un ambiente que ya ha sido degradado anteriormente, como es la construcción de una carretera, por lo que los posibles impactos que pudiesen causar los aerogeneradores colocados en los laterales serían insignificantes con los generados por la propia red viaria. Antes vamos a aclarar unos conceptos que vamos a utilizar a lo largo de este escrito. Un término ya mencionado es el de energía eólica, que se entiende como la obtención de energía eléctrica a través de la energía mecánica generada por la velocidad del viento, llamando viento al aire en movimiento que se produce en 3

4 dirección horizontal a la superficie terrestre, en nuestro caso por los vehículos. Un concepto muy importe y ya empleado en el trabajo es el de aerogenerador, que es una máquina formada principalmente por unas palas que giran alrededor de un eje a causa del viento, éste eje va unido a un generador de electricidad, al moverse las palas, éstas mueven el generador y de esta forma, la energía producida por el viento se transforma en energía eléctrica. Otro término que vamos a emplear para la explicación teórica del aerogenerador es el de potencia La potencia eléctrica suele medirse en vatios (W), kilovatios (kw), megavatios (MW), etc. La potencia es transferencia de energía por unidad de tiempo. La potencia puede ser medida en cualquier instante de tiempo, mientras que la energía debe ser medida durante un cierto periodo, por ejemplo, un segundo, una hora o un año. Que un aerogenerador tenga una potencia nominal (la que figura en la placa de características) de 1000 kw, le indica que producirá 1000 kilovatios-hora (kwh) de energía por hora de funcionamiento, cuando trabaje a rendimiento máximo (es decir, con vientos de, digamos, más de 15 metros por segundo). La energía eléctrica generada se podrá utilizar para la iluminación de carreteras, no para iluminar toda una autopista pues no se genera energía suficiente, pero sí para aquellas carreteras sin iluminación en las que tantas veces se hace necesaria una pequeña iluminación en condiciones climatológicas adversas. Serían muchas otras sus aplicaciones: señalización, cámaras de vídeo En nuestro caso, nos hemos centrado en el estudio de la iluminación de carreteras. La energía generada se almacenará mediante acumuladores debido a que su obtención no es continua, depende del paso de los vehículos. Para estudiar su viabilidad es necesario analizar la energía que puede obtenerse del viento generado por los vehículos pesados que son los que desplazan un mayor volumen de aire. El análisis de la energía se realizará mediante un estudio teórico de velocidad, 4

5 potencia, componentes de un aerogenerador viendo los necesarios en nuestro caso y funcionamiento de un aerogenerador. Con los fundamentos teóricos y conociendo la velocidad del viento generado por los vehículos podemos obtener la máxima energía eólica que puede ser aprovechada para la generación de energía eléctrica. Obtenida la cantidad de energía se estudiará la cantidad de generadores necesarios para una determinada potencia y aplicación. Para comprobar su viabilidad y aplicación en la realidad, se han desarrollado dos prototipos de aerogeneradores y se han llevado a cabo trabajos de campo con ellos, viendo las condiciones necesarias para un funcionamiento perfecto: altura, posición, ángulo con respecto a los vehículos 5

6 ANTECEDENTES TEÓRICOS En este capítulo analizamos el funcionamiento de un generador, sus partes, la potencia generada y los datos a tener en cuenta en su diseño. La energía eólica es la obtención de energía eléctrica a través de la energía mecánica generada por la velocidad del viento. Es una energía alternativa que posee las ventajas de ser inagotable, ser barata y no producir impactos negativos sobre el medio ambiente. Es una energía que, hoy en día, no puede considerarse como alternativa a los combustibles fósiles pero que se está desarrollando y extendiendo. Se conoce con el nombre de aerogenerador a las máquinas hidráulicas dotadas de un sistema eléctrico que transforman la energía cinética del viento en energía mecánica de rotación sincrónica (50 hz.) de un eje que a su vez impulsa un generador eléctrico. 1. La velocidad del viento Existen tres tipos de velocidades que se necesitan conocer para el diseño de un aerogenerador: 1. La velocidad de conexión: es la velocidad necesaria para que empiece a girar el rotor del aerogenerador. Los actuales aerogeneradores están diseñados para comenzar a girar a velocidades alrededor de 3 5 m/s. 6

7 2. La velocidad de máximo rendimiento: es la velocidad que proporcionará la máxima potencia. Esta velocidad es de unos 13 m/s. 3. La velocidad de corte: es la velocidad a la que el aerogenerador, previamente programado, se parará para evitar posibles daños en la turbina o alrededor a causa de la alta velocidad del viento. Esta velocidad es de unos 25 m/s. En la actualidad, se necesita una velocidad de unos 8 m/s para que resulte eficaz la utilización de aerogeneradores para la producción de energía. En el diseño de un aerogenerador se necesita hacer un estudio de vientos globales, geostróficos, locales, de montaña; también se necesita hacer mediciones con anemómetros y utilizar la rosa de los vientos y el atlas de viento. En nuestro caso esto no es necesario. 2. La potencia Existen tres tipos de potencia que hay que tener en cuenta en el diseño de un aerogenerador: 1. La potencia del viento: Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transmitida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, el área de barrido del rotor y de la velocidad del viento. 7

8 La potencia del viento que pasa perpendicularmente a través de un área circular es: P = π 3 2 1/ 2 δ V r Donde: P = potencia del viento en vatios. δ = densidad del aires seco. (δ = 1,225 kg/m 3 a presión atmosférica normal y 15 ºC). V = velocidad del viento en m/s. r = radio del rotor (pala). 2. La potencia de entrada aprovechable: Es la potencia que puede ser teóricamente convertida en potencia mecánica. Se basa en la ley de Betz y en el hecho de que el aerogenerador desvía el viento al ser un obstáculo para él. El viento se mueve más lentamente en la parte izquierda del rotor que en la derecha. Dado que la cantidad de aire que pasa a través del área barrida por el rotor desde la derecha debe ser igual a la que abandona el rotor por la izquierda, el aire ocupará una sección transversal mayor detrás del rotor, formando el tubo de corriente. Por ello, vemos que si intentamos extraer toda 8

9 la energía del viento, el aire saldría con velocidad nula, cosa imposible. De esta forma comprobamos que no toda la energía puede ser aprovechada. La ley de Betz dice que sólo puede convertirse menos del 59% de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador. 3. La potencia producida por la turbina: Es la potencia del viento que realmente se convierte en mecánica. Nos dice cuál será la potencia eléctrica que un generador producirá en dicho emplazamiento. El coeficiente de potencia: Indica con que eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento en electricidad. Se obtiene dividiendo la potencia eléctrica disponible por la potencia eólica de entrada. La eficiencia varia entre el 20 y el 40%, variando el coeficiente de potencia del valor 0,2 al 0,4. La eficiencia interesa en la zona de velocidades de viento donde se encuentra la mayor parte de la energía. 9

10 El factor de carga: Es un parámetro que nos da a conocer la eficiencia de la producción anual de energía. Se obtiene dividiendo la producción anual de energía por la producción teórica máxima que se obtendría multiplicando los días del año por las horas de un día y por la energía del aerogenerador. El rango de variación va del 20 al 70%, y sobretodo alrededor del 20 al 30%. Para la obtención de estas potencias y coeficientes, en el diseño de un aerogenerador de uso normal, se utiliza la distribución de Weibull que depende de la velocidad del viento y que sirve para obtener las curvas de potencia. 10

11 3. Componentes de un aerogenerador Un aerogenerador está formado por: El eje del aerogenerador. El rotor. Las palas. El generador eléctrico. La conexión a la red. La caja multiplicadora. El controlador de potencia. El mecanismo de orientación. El sistema de refrigeración. La góndola. El anemómetro. La veleta. La torre. A continuación detallaremos cada parte viendo cuáles son de aplicación a nuestro aerogenerador. 11

12 a) El eje del aerogenerador Existen dos tipos de aerogeneradores atendiendo a su eje: Aerogenerador de eje horizontal: o El eje se coloca de forma paralela a la dirección del viento. o Requiere la orientación del eje. o Es el más utilizado. Aerogenerador de eje vertical: o El eje no se coloca de forma paralela a la dirección del viento. o La única turbina comercializada es la Darrieus con una potencia menor de 50 kw. o Sus ventajas son: No necesita torre. No necesita la orientación del eje. o Sus desventajas son: La velocidad del viento cerca del suelo es muy baja. La eficiencia es menor. No es de arranque automático. 12

13 b) El rotor. Las palas El rotor está formado por las palas que giran alrededor de un eje produciendo la energía mecánica que será transformada en eléctrica. Las palas se agarran al eje por medio del buje. Al diseñar un aerogenerador habrá que tener en cuenta la estabilidad y sustentación de las palas, por ello es importante estudiar el número de éstas y el material a emplear. Si se trata de un pequeño aerogenerador se colocarán muchas palas porque garantizamos de esta forma que girará incluso a velocidades de viento muy bajas. Los aerogeneradores grandes o de elevada potencia están formados por dos o tres palas. Según los ingenieros, el más óptimo es el tripala, pues el bipala necesita una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida; además de requerir de un diseño más complejo con rotor basculante para evitar las sacudidas a la turbina al paso de la pala. En cuanto al tamaño del rotor, un generador pequeño requiere menos fuerza para hacerlo girar que uno grande. Si se acopla un gran rotor a un generador pequeño se produce electricidad pero sólo se capturará una pequeña parte del contenido energético. Por otro lado, un generador grande será muy eficiente a altas velocidades del viento, pero incapaz de girar a bajas velocidades. Las palas deben estar torsionadas de tal forma que el ángulo de ataque del viento sea el óptimo a lo largo de toda la longitud de la misma para que no se pierda sustentación. Hay que tener en cuenta que la velocidad en el extremo de las palas es alrededor de ocho veces superior a la velocidad del viento que llega en frente de la turbina. En cuanto al material de las palas puede ser: 13

14 Plástico reforzado con fibra de vidrio (poliéster o epoxy con fibra de vidrio). La fibra de carbono es otra posibilidad pero antieconómica en grandes palas. Materiales compuestos de madera: madera epoxy o madera fibra epoxy: es una posibilidad que se está desarrollando. La aleaciones de acero y aluminio: tienen problemas de peso y fatiga del metal, son sólo utilizadas en aerogeneradores muy pequeños. c) Los generadores Convierten la energía mecánica en eléctrica. La energía mecánica es suministrada por el momento torsor generado por el rotor de la turbina. En grandes aerogeneradores el voltaje generado por la turbina suele ser de 690 V de corriente alterna trifásica. Posteriormente, la corriente es enviada a través de un transformador anexo a la turbina, para aumentar su voltaje entre y V, dependiendo del estándar de red eléctrica local. Los generadores pueden ser síncronos o asíncronos. Generador síncrono: Está formado por tres electroimanes conectados a la red trifásica (estator del motor) que crean un campo magnético alrededor de un imán permanente (rotor) que girará a una velocidad constante síncrona. 14

15 Al forzar el imán para que gire devuelve corriente alterna a la red. Cuanta más fuerza (par torsor) le aplique, mayor electricidad producirá, aunque el generador girará a la misma velocidad impuesta por la frecuencia de la red eléctrica. No es muy usado ya que los imanes son caros y tienden a desmagnetizarse. Las turbinas eólicas síncronas usan imanes en el rotor por corriente continua de la red eléctrica. La velocidad del generador es constante y viene impuesta por la frecuenta de la red. Sin embargo, si se dobla el número de imanes del estator el campo magnético girará a la mitad de la velocidad. La fuerza máxima depende del volumen del rotor. Para una potencia de salida dada se podrá elegir entre un gran generador (caro) de baja velocidad o un generador más pequeño (más barato) de alta velocidad. Generador asíncrono: Es el utilizado por la mayoría de las turbinas eólicas al ser fiable y más barato. El rotor se llama rotor de jaula y consta de un número de barras de cobre o aluminio conectadas eléctricamente por anillos de aluminio en los extremos. La velocidad variará con la fuerza de giro. Lo bueno del rotor de jaula es que adopta el número de polos del estator de forma automática. 15

16 Se puede hacer funcionar un generador asíncrono de forma autónoma si se le provee de condensadores. También es preciso que haya algo de remanencia en el hierro del rotor.) d) La conexión a la red La conexión directa significa que el generador está conectado directamente a la red de corriente alterna. Es la forma de conexión que utilizan la mayoría de los aerogeneradores. La conexión indirecta significa que la corriente que viene de la turbina pasa a través de una serie de dispositivos eléctricos que ajustan la corriente para igualarla a la de la red. Es usada por los generadores síncronos. Sus desventajas son el coste y las pérdidas de energía, aunque permite hacer funcionar la turbina a velocidad variable. En pequeñas instalaciones (poca potencia) se pueden utilizar baterías con acumuladores, no siendo necesaria la conexión a la red. e) La caja multiplicadora Hace la conversión entre potencia de alto par torsor, que obtiene del rotor la turbina girando lentamente, y la potencia de bajo par torsor a alta velocidad que utiliza el generador. f) El control de la potencia Mediante un controlador electrónico se comprueba la potencia generada. Cuando ésta alcance un valor demasiado alto, se da una orden al mecanismo de cambio de ángulo 16

17 que hace girar las palas del rotor fuera del viento. Las palas son vueltas hacia el viento cuando éste disminuye de nuevo. g) El mecanismo de orientación Es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento. Un error de orientación implica que una menor proporción de la energía del viento pasará a través del área del rotor. Se utiliza u mecanismo de orientación forzada mediante motores. h) El sistema de refrigeración Es necesario para el generador. Se puede utilizar un ventilador para la refrigeración por aire o generadores refrigerados por agua. i) La góndola Es una especie de caja que guarda los ejes, el multiplicador, el generador, el mecanismo de orientación, el controlador, el sistema hidráulico y de refrigeración. j) El anemómetro Mide la velocidad del viento. k) La veleta Se utiliza para medir la dirección del viento y ayuda al mecanismo de orientación. l) La torre Es la parte que soporta la góndola y el rotor. 17

18 Pueden ser de acero, de celosía o de hormigón. También se utilizan las tubulares tensadas con viento pero sólo en aerogeneradores pequeños. Para la elección de la altura habrá que tener en cuenta la relación producción coste y la estabilidad. Evidentemente se obtendrá más energía si la torre es más alta. Actualmente, se sirven máquinas donde la altura de torre es igual al diámetro del rotor por motivos estéticos. 4. Consideraciones básicas de carga Al construir un aerogenerador, debe tenerse en cuenta: Las cargas extremas y la resistencia: Debidas a vientos extremos. Las turbinas con muchas palas o con palas muy anchas estarán sujetas a fuerzas muy grandes cuando el viento sople a velocidades muy altas. 18

19 Las cargas de fatiga: Al estar sometidos lo aerogeneradores a vientos fluctuantes también lo están a fuerzas fluctuantes. Los componentes sujetos a una flexión repetida pueden desarrollar grietas, por ello es importante calcular por anticipado cómo vibrarán los diferentes componentes, tanto individualmente como en conjunto. La dinámica estructural: Es muy importante conocer las frecuencias propias de todos los componentes para diseñar una turbina segura, que no oscile fuera de control. 5. El emplazamiento Los aerogeneradores se ubicarán en zonas con un mínimo de obstáculos ya que éstos pueden disminuir la velocidad del viento de forma significativa y a menudo crean turbulencias en torno a ellos. La zona de turbulencia puede extenderse hasta una altura alrededor de tres veces superior a la altura del obstáculo. También hay que tener en cuenta la orografía del terreno, se colocarán en zonas elevadas, a ser posible en colinas sin obstáculos; si se toma un paso estrecho entre dos montañas, la velocidad del viento crecerá considerablemente: efecto túnel. Se tendrá en cuenta la rugosidad el terreno ya que cuanto más pronunciada sea mayor será la ralentización que experimente el viento. 19

20 El aerogenerador ralentiza el viento tras de sí al obtener energía de él para convertirla en electricidad. Tras la turbina habrá una estela, es decir, una larga cola de viento bastante turbulenta. Para evitar una turbulencia excesiva corriente abajo alrededor de la turbina, cada turbina se separa una distancia mínima equivalente a tres diámetros de rotor. En un parque eólico, la separación entre aerogeneradores es de 5 a 9 diámetros de rotor en la dirección del viento dominante y de 3 a 5 diámetros de rotor en la dirección perpendicular a los vientos dominantes. Debido al apantallamiento entre aerogeneradores, la pérdida de energía es de un 5%. 6. Ejemplos de aerogeneradores La fabricación de aerogeneradores en España es de generadores de alta potencia y de pequeños aerogeneradores. Algunos ejemplos son: E G-66 de la marca Gamesa de kw, 3 palas, un diámetro de 66 m, velocidades de 4 a 25 m/s y alturas de torre de 60 a 80 m El Velter B de la marca Solener de 300 W, 3 palas, un funcionamiento a 12 / 24 voltios y un precio de

21 APLICACIÓN DE LA TEORÍA Y CÁLCULOS Para calcular la potencia generada por el viento necesitamos conocer la velocidad del viento generada por el movimiento de un vehículo. Según un estudio realizado por la escuela de ingenieros aeronáuticos de Madrid, la velocidad del viento que induce un vehículo cerca de él es del orden de la velocidad de ese vehículo, pero al alejarnos, esa velocidad va disminuyendo y es del orden de: V 1 = V del viento d Siendo d la distancia desde el eje del vehículo al lugar de medida de la velocidad expresada en metros y V la velocidad del vehículo en metros partido por segundos (m/s). Conocida la velocidad del viento podemos calcular la potencia generada por éste, que es igual a: P = δ V π Siendo δ la densidad del aire. δ = 1,225 kg/m 3, V la velocidad del viento en m/s y r el radio de las palas del aerogenerador expresada en metros. Introduciendo en la fórmula las unidades anteriores, se obtiene la potencia del viento en vatios (W). r 2 La potencia que realmente se convierte en mecánica es del orden de un 40% de la producida por el viento si tomamos el máximo valor debido a que, como se vio en teoría, es imposible aprovechar toda la energía del viento 21

22 De esta forma, nos damos cuenta de que existen tres variables: la velocidad del viento (V), la distancia (d) y el radio (r). Vamos a estudiar tres casos posibles para determinar d y V: 1. Una carretera convencional con una velocidad de proyecto de 100 km/h. (C- 100). 2. Una autovía, autopista o vía rápida con velocidad de proyecto de 100 km/h. (AV-100, AP-100, R-100). 3. Otra autovía o autopista con velocidad de proyecto de 120 km/h. (AV-120, AP-120) Siendo la velocidad de proyecto la mínima de las máximas velocidades por la que se puede circular por una carretera en condiciones de seguridad y comodidad. Para obtener la d tenemos en cuenta las siguientes secciones tipo: Sección 1 Sección 2 Sección 3 22

23 Con las siguientes medidas: Carriles de 3,5 m. Arcenes de 0,5 a 2,5m en la primera sección. Arcén exterior de 2,5 m en la segunda sección. Arcenes interiores de 1 a 1,5m y exteriores de 2,5m en la tercera sección. Mediana de unos 10 m. 1 er caso: C-100. Consideramos la velocidad de vehículos pesados (autobuses, camiones ) pues son los que generarán una mayor velocidad de viento y van a una velocidad de unos 20 km por debajo que el resto de vehículos, igual a 80 km/h, es decir, 22,2 m/s. a) La distancia d al corresponder a la sección 1 con un arcén de 0,5 metros sería: (se considera que los aerogeneradores se colocarán al final del arcén) 3,5 d = + 0,5 = 2,25 m 2 Es decir, la medida de un carril entre dos porque se mide desde el eje del vehículo más la medida del arcén para dicha sección. Luego la potencia sería, introduciendo V y d en la fórmula : 1 22,2 P = 1,225 π 2 2, π r = 588,32 r W y la potencia aprovechable, al ser un 40% de la potencia del viento : P aprov 2 = 0,4 P = 235,33 π r W 23

24 b) Si utilizamos la misma sección pero con un arcén de 2,5 metros. 3,5 d = + 2,5 = 4,25 m 2 Es decir, la medida de un carril entre dos porque se mide desde el eje del vehículo más la medida del arcén para dicha sección. La potencia sería:, introduciendo V y d en la fórmula 1 22,2 P = 1,225 π 2 4, π r = 87,30 r W y la potencia aprovechable: al ser un 40% de la potencia del viento P aprov 2 = 0,4 P = 34,90 π r W 2º caso: AV-100, AP-100, R-100. Considerando la velocidad de los vehículos pesados igual a 80 km/h y estudiando la sección 3 para autopista o autovía o la sección 2 para vía rápida nos da el mismo resultado que el apartado b del primer caso al tratarse de la misma velocidad y la misma medida de arcén (2,5 m). P aprov 2 = 0,4 P = 34,90 π r W 3 er caso: AV-120, AP-120. Consideramos la velocidad de vehículos pesados igual a 100 km/h es decir, 27,77 m/s. 24

25 La distancia d al corresponder a la sección 3 sería: 3,5 d = + 2,5 = 4,25 m 2 Es decir, la medida de un carril entre dos porque se mide desde el eje del vehículo más la medida del arcén para dicha sección. Luego la potencia sería:, introduciendo V y d en la fórmula 1 27,77 P = 1,225 π 2 4, π r = 170,87 r W y la potencia aprovechable: al ser un 40% de la potencia del viento P aprov 2 = 0,4 P = 68,35 π r W Todas las potencias obtenidas han quedado en función del radio de las palas (r) por lo que ahora se estudiará r, introducimos el valor de r en dichas potencias y obtenemos las potencias aprovechables finales para cada caso estudiado: Para r = 0,10 m (10 cm). o Caso 1.a.: P = 7,4 W o Casos 1.b. y 2: P = 1,1 W o Caso 3: P = 2,15 W Para r = 0,20 m (20 cm): o Caso 1.a.: P = 29,6 W o Casos 1.b. y 2: P = 4,4 W o Caso 3: P = 8,6 W Como se puede ver en los resultados obtenidos, la máxima potencia se obtiene en una carretera convencional de velocidad de proyecto 100 km/h con un arcén de 0,5 metros y 25

26 un radio de 20 cm y la mínima se obtiene en una carretera convencional de velocidad de proyecto 100 km/h con un arcén de 2,5 metros y un radio de 10 cm o en una autovía autopista o vía rápida con velocidad de proyecto 100 km/h y un radio de 10 cm. En cuanto a los componentes del aerogenerador consideramos que deberían tener, basándonos en los conocimientos teóricos, las siguientes características: Un eje horizontal, debido a su finalidad y a las condiciones de emplazamiento. Un rotor formado por un número elevado de palas para poder aprovechar toda la energía posible del viento y para que pueda funcionar a bajas velocidades. Su radio dependerá de la potencia que queramos obtener y del espacio del que se disponga. El material de las palas será de densidad baja para garantizar un fácil movimiento de las palas y una estabilidad. El generador dependerá de la potencia que sea necesaria generar. Por tratarse de una pequeña instalación y debido a sus aplicaciones se utilizarán baterías con acumuladores no siendo necesaria la conexión a una red general. Se deberá estudiar si es necesaria la instalación de los demás componentes de un aerogenerador normal: la caja multiplicadora, el controlador de potencia, un mecanismo de orientación, un sistema de refrigeración, una góndola, un anemómetro y una veleta; esto depende de la ubicación del aerogenerador, de la potencia a generar, del control que se quiera llevar y del coste a asumir. Una torre como tal no será necesaria pues el aerogenerador se instalaría en el interior de una tubería con un diámetro que permita el funcionamiento adecuado del rotor y que se introduciría en el interior de una caja o carcasa. Aunque sí se 26

27 necesitaría un soporte de cierta altura para la caja, en el capítulo siguiente se trata la altura y colocación de los aerogeneradores. También habrá que tener en cuenta las consideraciones básicas de carga descritas en el capítulo anterior. En cuanto al emplazamiento, no deberá colocarse detrás de otros objetos tales como señales, puestos de socorro, etc. Consideramos que la turbulencia producida por un aerogenerador no afectará de forma considerable al contiguo ya que se colocarán en el interior de una tubería, aunque en la separación entre aerogeneradores que se va a considerar no existe interacción posible. La separación entre aerogeneradores será de 1,5 m como mínimo. En nuestro caso, debido a la procedencia del viento no será necesario un estudio de velocidades del viento de la zona, tampoco de rugosidad ni cizallamiento. 27

28 APLICACIÓN EN ILUMINACIÓN DE CARRETERAS Una posibilidad del aprovechamiento de la potencia de estos aerogeneradores sería la de iluminar las carreteras. Nuestra idea sería integrar los aerogeneradores y los focos en una barrera de tal manera que en caso de accidente no afectara a los usuarios. Para obtener una adecuada iluminación de la carretera serían necesarias lámparas halógenas y a ser posible de larga distancia, de aproximadamente 55 W. Se pretende simular el mismo efecto que producen los faros antiniebla (delanteros) de un vehículo, mejorando la visibilidad en condiciones adversas. Por lo que dichas lámparas irán situadas a poca altura respecto a la carretera. 28

29 Si suponemos una potencia por aerogenerador de 6,875 W, para alcanzar los 55 W necesitaríamos 8 generadores. Si queremos disponer de lámparas cada 80 m debemos colocar los aerogeneradores cada 10 m. Para una mejor iluminación de la carretera sería una buena idea instalar en el lado opuesto las lámparas intercaladas. Un caso semejante se puede ver en la siguiente foto que muestra cómo quedarían integradas las luces en una barrera. 29

30 EXPERIENCIA PRÁCTICA Consiste en una aproximación simplificada de cómo sería el aerogenerador en la realidad. Construimos un primer prototipo que constaba de un rotor mediante unas hélices de avión de aeromodelismo de 8,5 cm de pala, se instaló un pequeño motor de corriente alterna de 3 V para hacerlo funcionar como generador y un led de alta luminosidad de 3 V, posteriormente se introdujo la instalación en un tubo de 20 cm. Una vez que se probó en carretera, nos dimos cuenta de que debido al peso de las palas se necesitaba una elevada velocidad del viento para que el led luciera al máximo; por lo que decidimos construir un segundo prototipo. 30

31 Este otro prototipo consta de unas palas más ligeras de 6,5 cm, con el mismo motor y led del primero y se introdujo en un tubo más pequeño, de 15 cm. Motor de corriente alterna de 3 V Tubo de 15 cm de diámetro Led de alta luminosidad de 3 V Palas de 6,5 cm de radio Posteriormente se construyó una caja de madera para simular la barrera. 31

32 Tras realizar el trabajo de campo en una carretera convencional de la red viaria de la comunidad de Madrid (M-513) pudimos observar que al pasar un vehículo pesado el viento generado por éste era capaz de hacer funcionar el aerogenerador. 32

33 Según se pudo observar, la altura óptima a la que debía colocarse el aerogenerador era de 1 m y la orientación del rotor sería formando un ángulo de unos 15º con el eje de la calzada en sentido horario de la siguiente forma: 15º Si realizamos los cálculos como en el capítulo de Aplicación de la teoría y cálculos: 3,5 d = + 0,5 = 2,25 m (al ser una carretera de sección 1) 2 V = 19,44 m/s (velocidad de circulación de vehículos pesados estimada) Con un aprovechamiento de un 40% la máxima potencia generada por el viento con un radio de rotor de 6,5 cm sería de 2,1 W. Otra forma de generar luz de forma más eficiente y con la necesidad de menor velocidad de viento es mediante la utilización de condensadores, que son componentes que almacenan energía del campo eléctrico y que están formados por dos conductores situados en un medio dieléctrico homogéneo de permitividad E y sometidos a una diferencia de potencial V. La energía almacenada es igual a 0,5 C V siendo C la capacidad del condensador medida en faradios y V la tensión medida en voltios. 33

34 Comprobación de que al pasar el aire con una cierta velocidad el aerogenerador funcionaba, comprobando su viabilidad. Led azul de 3 V 34

35 Primer prototipo: trabajo de campo en la carretera M-513 Segundo prototipo: trabajo de campo en la carretera M

36 BIBLIOGRAFÍA Recursos eólicos y cálculo de la producción de energía en aerogeneradores. Ib Troen & Erik Lundtang Petersen Cómo funciona un aerogenerador? Martin O.L. Hansen Diseño de aerogeneradores Información facilitada por la Escuela de Ingenieros Aeronáuticos de Madrid. Página web de Osram: 36