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Dise�o y Fabricaci�n de un Generador E�lico de Baja Capacidad para Sectores sin Cableado El�ctrico

 

Design and Manufacturing of a Low Capacity Wind Generator for Sectors without Electrical Wiring

 

Projeto e Fabrico de Gerador E�lico de Baixa Capacidade para Setores sem Cablagem El�trica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: shirleykatherine13@gmail.com

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 05 de mayo de 2024 *Aceptado: 20 de junio de 2024 * Publicado: �18 de julio de 2024

 

        I.            Ingeniera Mec�nica de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Investigadora Independiente; Ambato, Ecuador.

      II.            Ingeniero Mec�nico de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Investigador Independiente; Quito, Ecuador.

    III.            Ingeniero Mec�nico de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Investigador Independiente; Ambato, Ecuador.

    IV.            Ingeniero Mec�nico de la Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Investigador Independiente; Ambato, Ecuador.

 

Resumen

Este documento presenta el desarrollo tanto de dise�o como de fabricaci�n de un generador e�lico de tipo Savonius para viviendas alejadas de la zona urbana en la ciudad de Riobamba al igual que un estudio estad�stico para determinar la eficiencia de dicho generador en otras ciudades del Ecuador. Los generadores e�licos son sistemas de producci�n de energ�a renovable, que adquieren su energ�a de la circulaci�n del aire que pasa a trav�s de sus alabes. Pero ellos como todos los sistemas de generaci�n de energ�a renovable, poseen inconvenientes, como es en este caso el estudio para determinar la eficiencia del generador seg�n su geometr�a al igual que la direcci�n y velocidad del viento. La investigaci�n te�rica y construcci�n de prototipo arrojo que el dise�o tipo Savonius con una estructura robusta y ancla es de tipo id�neo para la ciudad de Riobamba al momento de generar energ�a y al m�s bajo coste.

Palabras Clave: Dise�o; generador e�lico; Savonius; eficiencia; energ�a renovable; alabes; velocidad del viento; prototipo.

 

Abstract

This document presents the development of both the design and manufacturing of a Savonius type wind generator for homes far from the urban area in the city of Riobamba as well as a statistical study to determine the efficiency of said generator in other cities in Ecuador. Wind generators are renewable energy production systems, which acquire their energy from the circulation of air that passes through their blades. But they, like all renewable energy generation systems, have drawbacks, such as in this case the study to determine the efficiency of the generator according to its geometry as well as the direction and speed of the wind. Theoretical research and prototype construction showed that the Savonius-type design with a robust structure and anchor is the ideal type for the city of Riobamba when generating energy and at the lowest cost.

Keywords: Design; wind-power generator; Savonius; efficiency; renewable energy; praises; wind speed; prototype.

 

Resumo

Este documento apresenta o desenvolvimento do projeto e fabrico de um gerador e�lico tipo Savonius para habita��es distantes da �rea urbana da cidade de Riobamba, bem como um estudo estat�stico para determinar a efici�ncia do referido gerador noutras cidades do Equador. Os geradores e�licos s�o sistemas de produ��o de energia renov�vel, que adquirem a sua energia a partir da circula��o do ar que passa pelas suas p�s. Mas eles, como todos os sistemas de gera��o de energia renov�vel, apresentam desvantagens, como neste caso o estudo para determinar a efici�ncia do gerador de acordo com a sua geometria, bem como a dire��o e velocidade do vento. A investiga��o te�rica e a constru��o do prot�tipo mostraram que o projeto tipo Savonius com uma estrutura robusta e ancoragem � o tipo ideal para a cidade de Riobamba na gera��o de energia e a um custo mais baixo.

Palavras-chave: Design; gerador e�lico; Sav�nio; efici�ncia; energia renov�vel; elogios; velocidade do vento; prot�tipo.

 

Introducci�n

Los sistemas de energ�a renovable como cualquier otro sistema poseen ciertos inconvenientes como lo es el no poder brindar energ�a de manera ininterrumpida como lo explica Guillot & Viloria en su estudio sobre el abastecimiento constante de energ�a e�lica realizado en el 2015 por lo que se busca potenciar las ventajas al igual que a�adir otras como lo es el costo de fabricaci�n opacando as� las desventajas con el objetivo de producir un producto de necesidad y uso diario a bojo coste debido a su capacidad para generar energ�a con un dise�o simple y una construcci�n accesible, aunque tradicionalmente se han considerado menos eficientes para la generaci�n de grandes cantidades de potencia el�ctrica en comparaci�n con los generadores de h�lice convencionales. A pesar de estas limitaciones, su utilidad radica en su capacidad para operar efectivamente en aplicaciones donde se requiere extraer torque directamente del eje.

A diferencia de los generadores de h�lice, que dependen principalmente de la fuerza de sustentaci�n para su funcionamiento, el principio de funcionamiento de un generador Savonius se basa en la diferencia de arrastre entre sus dos aspas, una c�ncava y otra convexa. Esta configuraci�n proporciona al generador Savonius una caracter�stica �nica de autorregulaci�n de velocidad (Correa Delgado, 2018). A medida que aumenta la velocidad angular del rotor, las velocidades relativas entre las aspas y el viento cambian, ajustando autom�ticamente la diferencia de arrastre hasta alcanzar un equilibrio para una velocidad espec�fica. Este punto de equilibrio representa tambi�n el punto de m�xima eficiencia del generador en t�rminos de conversi�n de energ�a cin�tica del viento en energ�a mec�nica.

En la zona sierra y costa del pa�s se encuentra las zonas que presenta las caracter�sticas clim�ticas ideales para el aprovechamiento del recurso e�lico. Se considera que Riobamba posee una velocidad de viento promedio ideal debido a valores de velocidad y viento �tiles son un promedio entre las 7 de la ma�ana a 7 de la noche. Por lo tanto, se recomienda para futuras investigaciones la implementaci�n de circuitos a corriente alterna.

Este art�culo explora de manera practica las caracter�sticas operativas, las ventajas y las limitaciones de los generadores Savonius, destacando su potencial en aplicaciones donde la simplicidad de dise�o y la capacidad de auto-regulaci�n son cr�ticas para la viabilidad y la efectividad del sistema. Adem�s, este estudio se desarrolla para encontrar alternativas de soluci�n al consumo de energ�a el�ctrica en zonas rurales donde la electricidad es inaccesible. El dise�o del generador se bas� en un sistema de almacenamiento de energ�a alimentado por bater�a, pero se pudo demostrar que era posible utilizar el generador para alimentar productos dom�sticos, as� como tambi�n puedes usar m�dulos de carga externos y bancos de energ�a para tel�fonos m�viles.

 

Metodolog�a

Estudio de los Sistemas E�licos

La energ�a e�lica es un tipo de energ�a renovable o energ�a limpia. Se considera energ�a renovable aquella energ�a que se obtiene de recursos o fuentes naturales considerados inagotables, ya sea por la gran cantidad de energ�a que se puede producir a partir de ellos o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. La energ�a e�lica es generada a partir de la energ�a cin�tica del viento y las corrientes de aire. Su origen se encuentra en la existencia de masas de aire, sobre la tierra, a diferentes temperaturas, originadas por diferentes intensidades de radiaci�n solar, a nivel global o local, las cuales producen corrientes ascendentes y descendentes, formando anillos de circulaci�n del aire. (Pinilla S., 2008)

La energ�a e�lica presenta numerosas ventajas, entre las m�s importantes est�n:

�  Es renovable, ya que tiene su origen en procesos atmosf�ricos y se renueva de forma continua.

�  Es limpia, ya que no requiere combusti�n y por lo tanto no produce emisiones atmosf�ricas ni residuos contaminantes.

�  Puede instalarse en zonas rurales o urbanas.

�  Su utilizaci�n combinada con otros tipos de energ�a, habitualmente la solar, permite la auto alimentaci�n de viviendas.

�  Es un tipo de energ�a sostenible, posee la capacidad de reemplazar fuentes energ�ticas tradicionales, ya sea por su enorme posibilidad de renovaci�n o por su menor efecto contaminante. (Dodero & Fernandez, 2012)

La captaci�n de la energ�a e�lica se proyecta mediante el uso de m�quinas motrices. La transformaci�n de la energ�a captada a la forma que se requiere se realiza por medio de convertidores adecuados debidamente a la m�quina e�lica. Las teor�as generales y particulares del comportamiento de las turbinas e�licas fueron desarrolladas a partir de las m�quinas medievales.

 

Clasificaci�n de los Generadores E�licos

Las m�quinas e�licas han sido estudiadas por el hombre desde hace ya varios siglos, es por esto por lo que en la actualidad ya existen diferentes tipos que van desde peque�as potencias, hasta grandes m�quinas, utilizadas en parques e�licos. La principal clasificaci�n que se hace a las m�quinas e�licas se debe a la posici�n de su eje de giro respecto a la direcci�n del viento. De acuerdo con esto, se dividen en aerogeneradores de eje vertical y de eje horizontal. Las cuales, a su vez, se clasifican en diferentes tipos, a saber. (Apaoblaza Augsburguer, 2014)

 

M�quinas e�licas de eje horizontal

Su eje de rotaci�n es paralelo a la direcci�n del viento. Los principales tipos de m�quinas e�licas de eje horizontal, de acuerdo con su velocidad de giro. (Cuesta Santianes, P�rez Mart�nez, & Cabrera Jim�nez, 2008)

�  Aerogeneradores lentos: En general, est�n constituidos por un n�mero alto de palas, multipalas, que cubren casi toda la superficie del rotor. Poseen un elevado par de arranque, gracias al cual pueden ponerse en marcha incluso con velocidades de viento muy bajas. Su baja velocidad de rotaci�n hace que sean poco �tiles para la producci�n de electricidad, siendo su uso m�s frecuente para el bombeo de agua.

�  Aerogeneradores r�pidos: Presentan un par de arranque peque�o y requieren velocidades de viento del orden de 4 a 5 m/s para su puesta en marcha. La mayor�a poseen tres palas y se utilizan para la producci�n de electricidad, a trav�s de su acoplamiento con un alternador. Su gama de potencias es muy amplia.

�  Aerogeneradores de velocidad intermedia: Tienen entre 3 y 6 palas y sus prestaciones est�n comprendidas entre las correspondientes a los dos casos anteriores. Se utilizan cuando las condiciones de viento no son muy favorables y en general son de peque�a potencia. Su aplicaci�n principal es en equipos aut�nomos para producci�n de electricidad.

M�quinas e�licas de eje vertical

Su eje de rotaci�n es perpendicular a la direcci�n del viento. Actualmente existen 2 dise�os b�sicos. (Cuesta Santianes, P�rez Mart�nez, & Cabrera Jim�nez, 2008)

� Darrieus: patentadas por G. Darrieus el a�o 1931 y desarrolladas luego por el Laboratorio Sandia en los a�os 70. Est�n formados por dos o tres palas de forma ovalada de perfil aerodin�mico y tienen caracter�sticas parecidas a las de eje horizontal, presentando un par de arranque muy peque�o. Los laboratorios Sandia construy� en 1974 un primer prototipo de 5 m de di�metro Su potencia es peque�a y aunque su aplicaci�n es similar a los aerogeneradores r�pidos de eje horizontal, est�n poco implantados.

� Savonius: patentada por el finland�s Sigurd Savonius en 1922 (Apaoblaza Augsburguer, 2014). Su principal ventaja consiste en trabajar con velocidades de viento muy bajas. Se compone de dos semicilindros de igual di�metro situados paralelamente al eje vertical de giro, en el dise�o original estaban separados una peque�a distancia el uno del otro. La fuerza que el viento ejerce en las caras de los cilindros (cara c�ncava y cara convexa) es distinta, por lo que las hace girar alrededor del eje. Este sistema presenta buenas caracter�sticas aerodin�micas para el autoarranque y la autorregulaci�n. Su campo de aplicaci�n est� en la producci�n aut�noma de electricidad o el bombeo de agua. Adem�s, como lo explica Dodero & Fernandez, (2012) el generador Savonius tiene la ventaja adicional de ser construido reciclando recipientes o tambi�n denominados tambores de aceite m�s espec�ficamente de 200 litros u simplemente cort�ndolos a la mitad.

 

Caracter�sticas de los rotores e�licos

Las caracter�sticas salientes de los rotores e�licos verticales seg�n Moragues & Rapallini, (2003) que se consideraron como informaci�n adicional para seleccionar el m�s id�neo debido las circunstancias son:

� Darrieus:

o    Tiene un rendimiento m�ximo de 0.35

o    5-500 kW

o    No requiere ser orientado

o    No arranca solo

o    Altas velocidades

o    Buen rendimiento

o    2 a 3 palas

� Savonius:

o    Tiene un rendimiento m�ximo de 0.30

o    0-1,5 kW

o    No requiere ser orientado

o    Alto par de arranque

o    Bajas velocidades

o    2 a 4 palas

Como informaci�n adicional el generador Savonius con respecto a su funcionamiento D�az, Pajaro, & Salas (2015) explican que este aparte de no depende de la direcci�n del viento este opera a velocidades de viento bajas y su construcci�n es m�s barata y menos compleja que la de otras turbinas.

 

Componentes de un Aerogenerador

La energ�a cin�tica del aire se convierte en energ�a de rotaci�n (del rotor) y, por tanto, en energ�a mec�nica. Normalmente, las turbinas e�licas disponen de un sistema de transmisi�n mec�nica con el prop�sito de incrementar el n�mero de revoluciones del rotor hasta el n�mero de revoluciones del generador el�ctrico. Posteriormente, la energ�a mec�nica es transformada en energ�a el�ctrica mediante un generador el�ctrico.

Se pueden identificar los siguientes subsistemas de generaci�n e�lica:

� Subsistema de captaci�n

� Subsistema de transmisi�n mec�nica

� Subsistema de generaci�n el�ctrica

� Subsistema de regulaci�n y control

� Subsistema de soporte

� Subsistema de almacenamiento de energ�a

Esta investigaci�n se centra en la geometr�a del generador e�lico por lo que el subsistema analizado es el de captaci�n donde este es el encargado de transformar la energ�a cin�tica del viento en energ�a mec�nica de rotaci�n. Est� integrado por el rotor, el cual se compone principalmente de los �labes, las tapas y el �rbol. (Saha, Thotla, & Maity, 2008)

 

Figura N� 1

Partes del generador

Fuente: Centrales de Energ�as Renovables. J. A. Carta Gonz�lez

 

Los componentes m�s importantes del rotor son los �labes. Ellos son los dispositivos que convierten la fuerza del viento en el par necesario para generar potencia �til. La forma b�sica y dimensiones de los �labes vienen dadas inicialmente por la aerodin�mica y el dise�o global de la turbina.

Los subsistemas aleda�os que analizar para obtenci�n de resultados y generaci�n del prototipo son los de transmisi�n mec�nica y de generaci�n el�ctrica.

La transmisi�n mec�nica est� compuesta por todas las partes en rotaci�n de la turbina. �stas incluyen un �rbol de baja velocidad (en el lado del rotor), acoplamientos, caja multiplicadora de engranajes, y un �rbol de alta velocidad (en el lado del generador) (Carta Gonz�lez et al., 2009)

Toda turbina tiene un �rbol principal, algunas veces denominado �rbol de baja velocidad o �rbol del rotor. El �rbol principal transfiere el par torsor desde el rotor al resto del tren de potencia. Los acoplamientos tienen como funci�n conectar los �rboles. El multiplicador tiene como funci�n adaptar la baja velocidad de rotaci�n del eje del rotor a las mayores velocidades de operaci�n del generador el�ctrico.

El segundo subsistema aleda�o como se mencion� anteriormente es el de generaci�n el�ctrica por lo que el sistema el�ctrico de un aerogenerador incluye todos los dispositivos que intervienen en el proceso de conversi�n de la energ�a mec�nica en energ�a el�ctrica. El generador es el dispositivo m�s importante de este subsistema.

Generador el�ctrico: Conceptualmente, un generador el�ctrico es un sistema que convierte la energ�a mec�nica (rotaci�n de un eje a una cierta velocidad y con un cierto par) en energ�a el�ctrica (que se transmite por un circuito el�ctrico).

Los generadores el�ctricos se pueden clasificar b�sicamente en generadores de corriente continua y de corriente alterna.

 

Figura N� 1

Energ�a del viento

Fuente: Centrales de Energ�as Renovables. J. A. Carta Gonz�lez

 

El viento y su energ�a

El viento constituye uno de los elementos fundamentales en el campo del conocimiento atmosf�rico, permite identificar el estado din�mico del aire y se reconoce como el aire en movimiento (UPME, 2006). El peso del aire sobre un objeto ejerce una fuerza por unidad de �rea en el mismo, esta fuerza es conocida como la presi�n. Las variaciones en la presi�n llevan a que se desarrollen los vientos.

 

Velocidad del viento

La velocidad del viento, v, es una magnitud vectorial. Aunque el vector de la velocidad tiene tres componentes, en aplicaciones de energ�a e�lica solo se consideran las componentes en el plano horizontal (plano paralelo a la superficie terrestre). La velocidad del viento se caracteriza por el m�dulo de la componente de la velocidad en el plano horizontal y su direcci�n (Villarrubia L�pez, 2013)

 

Potencial energ�tico del viento

La velocidad del viento es un factor muy importante para determinar cuanta energ�a puede transformar un equipo en electricidad. Es variable, en funci�n de la hora, del d�a, de la situaci�n geogr�fica general y de la topograf�a local. Por razones t�cnicas, es imposible extraer toda la energ�a cin�tica existente en una corriente de aire. La potencia e�lica disponible a trav�s de una superficie de secci�n A, perpendicular al flujo de viento, v, viene dada por el flujo de la energ�a cin�tica por unidad de tiempo.

����������� (1)

Donde 𝑚̇ es el flujo m�sico del aire y 𝜌 es la densidad del aire, que var�a con la altitud y con las condiciones atmosf�ricas. Por tanto, la potencia del viento depende de la densidad del aire, de la superficie sobre la que incide o �rea de barrido y del cubo de la velocidad del viento.

Por ello, las turbinas reales podr�n extraer una energ�a inferior a la planteada por Betz; el cociente entre la potencia extra�da y la potencia total del fluido, se denomina coeficiente de potencia 𝐶𝑝, el cual ser�, siempre inferior a 0,593.

 

Ley de Betz

De todo el potencial de energ�a calculado con la ecuaci�n, solo ser� posible extraer una parte, ya que, si le quit�ramos toda esa energ�a cin�tica al aire, detr�s de la turbina �ste estar�a quieto. El l�mite de extracci�n te�rico m�ximo fue calculado por Albert Betz (1885-1968), f�sico alem�n que particip� en la elaboraci�n de las bases te�ricas de los modernos aerogeneradores, qui�n public� en 1919 una teor�a, conocida como ley de Betz. Seg�n esta ley no puede convertirse m�s del 16/27 (el 59,3%) de la energ�a cin�tica del viento en energ�a mec�nica mediante una turbina e�lica (Fern�ndez D�ez, 1993)

 

 

 

 

Rendimiento de los aerogeneradores

Como se describi� anteriormente, no se puede convertir toda la energ�a cin�tica del viento en energ�a mec�nica rotacional, por ello para conocer la potencia mec�nica de una turbina e�lica se debe tener en cuenta lo siguiente:

������ (2)

d�nde 𝐴 es el �rea barrida por el rotor, 𝜌 la densidad del aire, 𝑣 la velocidad del viento y 𝐶𝑝 es el coeficiente de potencia del aerogenerador (que depende de la forma aerodin�mica de la pala), el cual no puede superar el l�mite de Betz y puede ser hallado en las curvas de la figura (Carta Gonz�lez et al., 2009)

Para relacionar el coeficiente de potencia del generador en la figura, es necesario conocer la relaci�n de velocidad tangencial o 𝑇𝑆𝑅, t�picos sobre el rendimiento aerodin�mico (Canalejo & Font, 2011), la cual sirve para comparar el funcionamiento de m�quinas e�licas diferentes, por lo que tambi�n se le suele denominar velocidad espec�fica y se define como:

�� (3)

Donde 𝑟 es el radio del aerogenerador [m], 𝑛 son las revoluciones por minuto y 𝑣 es la velocidad del viento [m/s]

 

Figura N� 3

Ley de Betz

Fuente: Centrales de Energ�as Renovables. J. A. Carta Gonz�lez

 

 

Resultados

Dise�o del rotor

El primer componente para llevar a cabo el proceso de conversi�n de energ�a e interactuar con el viento es el rotor, el cual est� dise�ado con 2 m�dulos cada uno de ellos con sus respectivos alabes y tapas circulares, los cuales deber�n estar fabricados de materiales de baja densidad para que el rotor sea liviano.

Para el dise�o de los �labes se debe considerar que el coeficiente de potencia del aerogenerador depende de la forma que tengan. Debido a que la turbina e�lica a dise�ar es sencilla, se considerar� que los �labes tienen una forma semicil�ndrica hueca.

 

Determinaci�n del perfil del alabe

El rotor Savonius est� formado por dos semicilindros cuyos ejes est�n desplazados entre s�. El desplazamiento entre los ejes facilita el cambio de direcci�n de flujo, por lo que adem�s de la acci�n de las fuerzas de origen aerodin�mico se aprovecha la variaci�n de la cantidad de movimiento del fluido. Adem�s, cuando los alabes est�n conectados en el rotor de eje vertical, tambi�n denominado pasaje del alabe cerrado, esta circulaci�n del viento ocasiona un vac�o parcial. (Cueva Barrazueta, 2015)

 

Figura N�4

Rotor Savonius

Fuente: Aerogeneradores de potencia inferior a 100 kW.������� M. J. Cuesta Santianes

El aerogenerador tipo Savonius, experimenta una fuerza en la direcci�n del movimiento relativo del fluido respecto del objeto, denominada fuerza de arrastre o resistencia drag (FD), y se expresa as�:

����������� (4)

Donde:

�  C_D es el coeficiente de arrastre

�  𝜌 es la densidad del fluido

�  A es el �rea transversal

�  v la velocidad relativa del aire respecto al objeto.

La acci�n del viento origina distintas fuerzas en las partes c�ncava y convexa de los �labes, lo que produce un par de fuerzas que hace que el rotor gire. Por esta raz�n, este tipo de rotor se denomina de arrastre diferencial.

 

Figura N� 5

Acci�n del viento sobre las alabes

Fuente: Aerogeneradores de potencia inferior a 100 kW. M. J. Cuesta Santianes

 

De esta manera, se tienen dos fuerzas, F y F�, que act�an en los �labes opuestos, que vendr�n determinadas por las siguientes expresiones:

������������ (5)

���������������������� (6)

Donde:

�  u: velocidad lineal de los �labes

�  v: velocidad absoluta del viento

�  v-u: velocidad relativa del viento a la cazoleta superior

�  v+u: velocidad relativa del viento a la cazoleta inferior

La potencia ejercida por el viento sobre el rotor es la diferencia de ambas fuerzas por la velocidad lineal (u) de las paletas, es decir:

�������� (7)

El valor de la potencia P se hace m�ximo para una velocidad lineal (Um) de los �labes, obtenida derivando la expresi�n anterior e igual�ndola a cero. Este valor es:

��������������������������� ����������� (8)

Como se investig� anteriormente, el coeficiente de arrastre para la parte c�ncava tendr� un valor de CD = 1,00 y para el lado convexo CD� = 0,2, con lo que se tiene 0,184V obteniendo as� una potencia m�xima

�������� (9)

Para el presente proyecto se utilizar� un perfil de �labe semicil�ndrico, ya que es m�s econ�mico y f�cil de construir. Para mejorar el valor del coeficiente de potencia de este perfil, se toma como referencia el an�lisis hecho por (Saha 2008), quien a trav�s de un estudio de diferentes configuraciones de rotor Savonius, por medio de experimentos en t�nel de viento, concluye que la disposici�n que presenta un comportamiento �ptimo es un rotor con 2 �labes y 2 m�dulos, ya que el coeficiente de potencia mejora con esta disposici�n.

Se dise�ar� el presente rotor, teniendo en cuenta un Cp = 0,20. Basados en los c�lculos expresados en el siguiente gr�fico.

 

Figura N� 6

Gr�fico comparativo entre generadores

Fuente: Dise�o estructural de una turbina de eje vertical para aplicaciones urbanas. M. J. Cuesta Santianes

Determinaci�n de las dimensiones del rotor

La eficiencia mec�nica total equivale al producto de todas las eficiencias de los componentes mec�nicos del sistema. Para el presente an�lisis, la eficiencia mec�nica depende del sistema de transmisi�n y de los rodamientos (Ocampo Gil, 1993). Por lo tanto:

������������� (10)

��������������� ����������� (11)

La eficiencia el�ctrica total equivale al producto de todas las eficiencias de los componentes el�ctricos del sistema. Para el presente an�lisis, la eficiencia el�ctrica depende del generador y el controlador. Por lo tanto, da como resultados de 0,941 para la eficiencia mec�nica y de 0,723 para la eficiencia el�ctrica total equivalente.

La ecuaci�n utilizada para encontrar el �rea necesaria para producir la potencia necesaria es la siguiente, dando un resultado de 3,573 metros cuadrados:

������������������������������������������� (12)

Para un adecuado dise�o las dimensiones del rotor deber�n ser �y recordando que �por lo cual las dimensiones del rotor quedar�an de la siguiente manera:

 

Figura N� 7

Geometr�a de las alabes

Fuente: Dise�o estructural de una turbina de eje vertical para aplicaciones urbanas

 

Modelado y pruebas del prototipo

En esta secci�n de analiza los valores obtenidos de las pruebas del prototipo a diferentes velocidades de viento, con el objetivo principal es realizar la comparaci�n de los resultados finales de las pruebas realizadas al prototipo al someter a diferentes velocidades de viento, as� como analizar los costos para la construcci�n y pruebas del prototipo de aerogenerador e�lico tipo Savonius.

 

Figura N� 8

Modelado del generador e�lico de tipo Savonius

Fuente: Autores

 

Curva de Potencia

La curva de potencia se calcul� en base a los datos obtenidos de la velocidad del viento, as� como la medici�n del voltaje generado y el consumo nominal de una bobilla incandescente, los cuales se muestran en la siguiente tabla:

 

Tabla N� 1

Datos Obtenidos de la Velocidad del Viento

Fuente: Autores

 

Figura N� 9

Potencia nominal

Fuente: Autores

 

Figura N� 10

Voltaje registrado

Fuente: Autores

 

Curva de torque calculado en el rotor del generador

En base a los datos obtenidos de velocidad de giro del rotor y potencia del generador calculado con una carga de consumo de una bombilla incandescente, se pudo estimar el valor de la potencia registrada por el generador, tales valores se expresan en la siguiente tabla:

������ (13)

 

 

 

 

Tabla N� 2

Toque Calculado

Fuente: Autores

 

Figura N� 11

Torque Calculado

Fuente: Autores

 

Aplicaci�n de la energ�a generada

Esta investigaci�n se desarrolla con el fin de encontrar una soluci�n alternativa al consumo de energ�a el�ctrica en zonas rurales, donde no es posible acceder al sumisito de luz el�ctrica. En una primera instancia el dise�o del generador est� basado principalmente en un sistema para el almacenamiento de energ�a por medio de bater�as, para lo cual se requiere un valor bajo de amperaje, pero gracias a la etapa de prueba se pudo demostrar que es factible una conexi�n directa con un transformador con el cual se podr�a alimentar moment�neamente y por periodos tiempo moderados a productos de uso dom�stico, as� como sistemas de bombeo o m�dulos de carga externos, como powerbanks para tel�fonos celulares. La etapa de pruebas demuestra que el generados tiene la capacidad de alimentar a componentes el�ctricos de corriente continua que requieran de hasta 2 amperios, a un m�ximo de 30 voltios, esto es posible si existen grandes corrientes de viento, es por ello que se debe realizar un estudio previo de la zona en la que se va a instalar el generador, esto para asegurar un buen funcionamiento del mismo.

 

Conclusiones

�      La eficiencia del aerogenerador depende en gran parte del lugar donde se situ� el aerogenerador, del tipo de conversi�n mec�nico el�ctrico que posea el sistema y del tipo de aerogenerador que se escoja en caso de altas velocidades de viento o en bajas velocidades de viento.

�      Tambi�n se puede aumentar la eficiencia del generador aumentando la altura de este, pero hay que tener en cuenta que a mayor altura posea el aerogenerador m�s complejo tiene que ser la estructura de soporte.

�      En los aerogeneradores de eje vertical como el que se ha dise�ado funcionan a velocidades del viento muy altas, ya que necesitan tener un par grande para mover el generador el�ctrico, y por eso el di�metro del rotor es mayor y la velocidad angular menor.

�      De todos modos, se tendr�a que fabricar un prototipo para ver el rendimiento real y TSR real del rotor ya que en estos c�lculos se utilizan modelos est�ndares que no tienen por qu� coincidir 100% con los resultados te�ricos.

�      El �nico punto sobre el que quedan algunas dudas es la durabilidad. Si bien en los c�lculos se acostumbra a tomar 20 a�os de vida �til, por el momento, ninguna de las m�quinas actualmente en operaci�n ha alcanzado ese tope.

�      Una vez concluido el prototipo del generador e�lico se logr� apreciar que es necesario colocar el equipo sobre una altura mayor a los 10 metros, ya que a dicha altura existen menos obst�culos para que el viento tenga mayor velocidad, la velocidad lograda sobre dicha altura fue de 4 m/s a 10 m/s la cual fue obtenida con ayuda de un anem�metro digital.

�      El prototipo creado se puede mejorar utilizando m�s compartimientos de alabes, coloc�ndolos sim�tricamente en el rotor. Ya que se pudo apreciar mediante experimentaci�n que mientras m�s compartimientos tiene, el generador aprovecha de mejor manera el viento, con lo cual tiene mayores revoluciones y su eficiencia mejora.

�      Como resultado de las experimentaciones se obtuvieron valores de potencia m�nimas de 10.21 KW con una velocidad de viento de 10 km/h, la potencia m�xima obtenida fue de 41.27 KW con una velocidad de viento de 22km/h y la potencia nominal fue de 18.28 KW con una velocidad de 16.2 Km/h.

 

Referencias

1.      J. A. Carta Gonz�lez, R. Calero P�rez, A. Colmenar Santos, and M. A. Castro Gil, Centrales De Energias Renovables Generacion Electrica Con Energias Renovables. 2009.

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