CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN UNIVERSIDAD NACIONAL DE ANCASH Facultad de Ing. Civil C.P.: Ing. Civil “AÑO DE LA LUCHACONTRA LA CORRUPCIÓN Y LA IMPUNIDAD” ASIGNATURA: Mecánica de Fluidos DOCENTE: SILVA LINDO Marco Antonio INTEGRANTES: HUAMAN RIVERA Erick Junior AYALA CHAVEZ Juan FECHA DE ENTREGA: 102.0904.347 071.0763.114 11-01-19 CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA VIVIL FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL FIC 1 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN UNIVERSIDAD NACIONAL SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO FACULTAD DE ING. CIVIL CARRERA PROFESIONAL DE ING. CIVIL Mecánica de Fluidos Título: “CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO” Proyecto de Mecánica de Fluidos Responsables: HUAMAN RIVERA Erick Junior AYALA CHAVEZ Juan ENERO DEL 2019 2 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN INTRODUCCIÓN Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se cuentan la eólica, geotérmica, hidroeléctrica, mareomotriz, solar, undimotriz, la biomasa y los biocombustibles. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Su principal inconveniente es la intermitencia del viento. El viento es energía en movimiento. El ser humano ha utilizado esta energía de diversas maneras a lo largo de su historia: barcos a vela, molinos, extracción de agua de pozos subterráneos. En la actualidad, el viento se usa también para producir electricidad. Al soplar, el viento mueve las aspas de un molino. Esta energía cinética se transforma, mediante un generador, en energía eléctrica. En algunos países, como Dinamarca y Alemania, existen granjas eólicas, en las que cientos de molinos son impulsados por el viento, produciéndose electricidad suficiente para alimentar ciudades completas. 3 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO I. EL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 1. ENUNCIADO DEL PROBLEMA 1.1. Antecedentes: Oscar Iván Orduz Berdugo, en su trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico, titulado “Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical para generación a baja potencia”. Tuvo como objetivo: realizar el diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical, la iniciativa surge como un intento por investigar, adoptar y aplicar los principios y bases del conocimiento en ingeniería, involucradas en el funcionamiento de este tipo de máquinas. La metodología de trabajo propuesta, inicialmente se encamina a mencionar los principales aspectos teóricos y principios físicos que gobiernan el funcionamiento de estas máquinas, así como los principales componentes asociados a un sistema de generación de baja potencia. Llegando a la conclusión principal de que La turbina logro generar una cantidad de potencia cercana a los 44 W, operando en regímenes de viento superiores a los 10 m/s lo que supone una eficiencia de generación del 7%. Este hecho obedece a distintas variables de diseño o estimación de factores que no se tuvieron en cuenta a profundidad y que por la relativa extensión del trabajo no se analizaron con detalle. Hamilton Eduardo Quezada Sarango, en su Tesis de Grado previo a optar el Título de Ingeniero Electromecánico, titulada “Construcción y parametrización funcional de un prototipo de aerogenerador de eje vertical”. Tuvo como objetivo: construir y parametrizar un aerogenerador de eje vertical, el mismo que pretende lograr interés en salvaguardar el futuro del medioambiente a través del proceso de enseñanza y aprendizaje en nuestra área. Se pretende que con este trabajo se pueda llegar a comprender la situación en la que se ha encontrado ya hace varios años, no depender solamente de la energía que es proporcionada por combustibles o por las centrales hidroeléctricas. La metodología utilizada inicia con la construcción de las partes aerodinámicas del 4 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN aerogenerador, considerando una hélice modelo, a fin de obtener una respuesta satisfactoria del mismo. Llegó a las siguientes conclusiones: Los diversos mecanismos del aerogenerador (Toberas, palas, discos de transmisión de potencia, etc.), permiten obtener un rendimiento mecánico aproximado del 36.19 %, considerado aceptable de acuerdo al tipo de turbina utilizada ya que los rendimientos máximos en el tipo de rotores promedian en un 40 %. Mediante la utilización de un moderno software de ingeniería como es el ANSYS, se logró simular el comportamiento de los diferentes componentes del aerogenerador sometidos a cargas que se asemejan a las condiciones reales de viento a las que operará este equipo corroborando el adecuado dimensionamiento de los componentes. 1.2. Características: El proyecto está relacionado con el tema: “Construcción de un prototipo de turbina eólica para generar energía eléctrica”, tiene como finalidad calcular la relación de la potencia que genera el viento contra la potencia eléctrica producida al generarse este viento, específicamente calcular la eficacia de este método de obtención de energía. Se pretende identificar la razón por la que este método es factible a la hora de obtener energía eléctrica. El proyecto se realizará a través de un experimento a escala de un Generador eólico o Aerogenerador, que es básicamente un sistema de aspas el cual estará conectado a un generador eléctrico con el objetivo que provechar la energía del viento para mover las aspas del molino y producir energía. La energía producida por los aerogeneradores es completamente limpia, no produce ningún tipo de contaminación ni residuos, por lo que se considera uno de los sistemas de generación de energía más limpios que existen actualmente. 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Qué factores influyen en el proceso de generación de energía eléctrica por medio de energía eólica? 5 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN ¿Existe una relación entre la cantidad de viento producido por un generador eólico y la obtención de energía eléctrica? ¿Cuál es la eficacia de la realización de este método de obtención de energía? 3. JUSTIFICACIÓN El proyecto de investigación sobre se justifica por las siguientes razones: 3.1. Porque este es un método bastante eficaz para la obtención de energía para suplir la demanda de energía eléctrica de la actualidad. 3.2. Este tipo de generadores se ha popularizado rápidamente al ser considerados una fuente limpia de energía renovable, ya que no requieren, para la producción de energía, una combustión que produzca residuos contaminantes o gases implicados en el efecto invernadero. 3.3. Para la reducción de los costes anuales de la electricidad como resultado de la producción de la misma por el sistema de energía eólica: debe tener en cuenta expectativas futuras del precio de la electricidad 3.4. La investigación planteada podría a gran escala lograr: Aumento de la eficiencia de la red eléctrica: si la energía se genera cerca de punto de consumo, las pérdidas en la red eléctrica disminuyen. Menores costes de servicio: después de su inversión inicial en energía eólica, la factura mensual se verá reducida; el viento, después de todo, es gratis. Protección del clima: los sistemas de energía eólica no emiten nada de dióxido de carbono durante su funcionamiento. 6 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Seguridad de suministro: si usa un sistema con baterías de almacenamiento, su sistema eólico puede funcionar, aunque no se suministre electricidad de la red. 4. LIMITACIONES Funcionan a velocidades medias del viento: a velocidades bajas el viento no ejerce sobre ellos la suficiente fuerza como para moverlos y a velocidades altas la energía del viento es tan poderosa que provocarían desperfectos en el aerogenerador. Baja eficiencia energética: sólo aprovechan una componente de la fuerza del viento por lo que su coeficiente de potencia nunca podrá ser elevado. Presentan un elevado coste de diseño, fabricación, montaje y mantenimiento. Fuerte impacto medioambiental: debido a la elevada altura de los postes tiene impacto visual y paisajístico. Además, su estructura y funcionamiento los hacen altamente peligrosos para las aves circundantes. Sera un reto incentivar a la población al cambio a este tipo de energía ya sea un cambio de mentalidad acerca del tema en la implementación de equipos que aprovechen la energía eólica. II. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1. Objetico general: Analizar la relación que existe entre la potencia producida por un generador eólico y la cantidad de energía eléctrica generada en el proceso. 2. Objetivos específicos: Calcular la potencia eléctrica que produce la energía del viento como una alternativa de abastecimiento energético. Calcular la velocidad de las aspas al transformar la energía cinética en energía mecánica. 7 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN III. HIPÓTESIS Y VARIABLES 1. Hipótesis: La energía eólica es un método viable para la obtención de energía eléctrica 1.1. Variables: Variable Independiente: La energía eólica. Variable Dependiente: es un buen método viable para la obtención de la energía eléctrica. 2. Hipótesis La potencia producida por el generador es completamente aprovechada por los diodos leds. 1.1. Variables: Variable Independiente: La potencia producida por el generador Variable Dependiente: es completamente aprovechada por los diodos leds. IV. MARCO TEÓRICO 1. EL RECURSO VIENTO 1.1 El recurso eólico La determinación precisa del recurso eólico es una tarea difícil e incierta, especialmente cuando se compara con la energía solar o la energía hidráulica. Las razones para estas son las siguientes: Una gran variabilidad de velocidad del viento se encuentra en las diferentes regiones del mundo, desde un promedio anual la velocidad de 2m/s hasta 4 a 7 m/s en lugares con mucho viento. Esta variación en viento implica una mayor variabilidad en la potencia disponible. Inmensas diferencias en velocidad de viento (y por ende en potencia) se observa en pequeñas distancias debido a la cambiante topografía del terreno y su rugosidad. En pequeñas distancias la potencia eólica puede variar en un orden de magnitud. 8 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Es difícil medir el potencial eólico con precisión. El viento, generalmente, se mide con su velocidad y dirección. 1.2 Patrones Globales de circulación de viento. El viento es aire en movimiento y es una forma indirecta de la energía solar este movimiento de masas de aire se origina por diferencias de temperatura causada por la radicación solar sobre la superficie terrestre, y junto a la rotación de la tierra, crean entonces los llamados patrones globales de circulación. El flujo de energía solar total absorbido por la tierra es del orden de 10 17 vatios lo cual es aproximadamente 10 000 veces la taza total mundial del consumo energético. Una pequeña porción del flujo total solar se convierte en movimiento atmosférico o viento. En una escala global las regiones alrededor del ecuador reciben una ganancia neta de energía mientras que en las regiones polares hay una pérdida neta de energía por radiación. Esto implica un mecanismo por el cual la energía recibida en las regiones ecuatoriales sea trasportada a los polos. 1.3 Métodos utilizados para medir la velocidad del viento. Estimación de recursos eólicos se basan en algunas estrategias útiles como son información empírica y anemómetros. 1.3.1 Información empírica. Esta información se recoge con base a visitas realizadas al lugar, donde las condiciones de topografía, de vegetación y la información de los habitantes de la región aportan valiosa información en la identificación de lugares con altos noveles de velocidad de viento. Por ejemplo, la constante incidencia del viento en los arboles a lo largo del tiempo, o sobre la vegetación, hacen q estos crezcan inclinados en la dirección predominante de viento. 9 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN 1.3.2 Información mediante anemómetros. Un anemómetro es un aparato destinado a medir la velocidad relativa del viento que incide sobre él. Si el anemómetro este fijo colocado en tierra, entonces medirá la velocidad del viento reinante, pero si está colocado en un objeto en movimiento puede servir para apreciar la velocidad de movimiento relativo del objeto con respecto el viento en calma. Un anemómetro electrónico tiene la hélice de tipo helicoidal, tiene acoplado al eje un diminuto generador de impulsos eléctricos, que son contados por unidad de tiempo por el contador electrónico a baterías y mostrados en pantalla ya calibrados a velocidad de viento. La precisión de estos anemómetros depende en gran medida del operador, ya que es este, el que debe dar la adecuada orientación de frente al viento La dificultad de este sistema radica en que el anemómetro deberá estar localizado en un lugar donde las condiciones sean limpias, con muy pocos obstáculos alrededor. 2. ENERGÍA EÓLICA 2.1. Concepto Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir energía eléctrica mediante aerogeneradores. A finales de 2011, la capacidad mundial de los generadores eólicos fue de 238 giga vatios. En 2011 la eólica generó alrededor del 3% del consumo de electricidad mundial En España la energía eólica produjo un 16% del consumo eléctrico en 2011. 10 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Su principal inconveniente es la intermitencia del viento. 2.2. Antecedentes La energía eólica es una de las formas de energía más antiguas usadas por la humanidad. Desde el principio de los tiempos, los hombres utilizaban los molinos de viento para moler cereales o bombear agua. Con la llegada de la electricidad, a finales del siglo XIX los primeros aerogeneradores se basaron en la forma y el funcionamiento de los molinos de viento. Sin embargo, hasta hace poco tiempo no la generación de electricidad a través de aerogeneradores no ha jugado un gran papel. Con la primera crisis del petróleo en los años 70, sobre todo a partir de los movimientos contra la energía nuclear en los años 80 en Europa, se despertó el interés en energías renovables. Se buscaron nuevos caminos para explotar los recursos de la Tierra tanto ecológicamente como rentables económicamente. Los aerogeneradores de aquella época eran demasiado caros, y el elevado precio de la energía que se obtenía a través de los mismos era un argumento para estar en contra de su construcción. Debido a esto, los gobiernos internacionales promovieron la energía eólica en forma de programas de investigación y de subvenciones, la mayoría de las mismas aportadas por los gobiernos regionales. Así se crearon institutos como el Instituto Alemán de la Energía Eólica (DEWI) o el Instituto de Investigación Danés (Riso), que poco a poco han llevado a cabo una estandarización de las instalaciones y de los métodos de seguridad ha llevado y está llevando a cabo un mejor rendimiento económico de las instalaciones. 11 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Los altos costes de generación de electricidad a partir del viento se redujeron considerablemente en 1981 al 50% con el desarrollo de un aerogenerador de 55 kW. Las organizaciones ecológicas consideran la energía eólica una de las fuentes de energía más económicas si incluimos los costes externos de generación de energía (por ejemplo, los daños del medio ambiente). Los aerogeneradores modernos generan actualmente una parte importante de la energía electricidad mundial. Alemania, USA y España son los tres países con más energía eólica instalada del mundo. 2.3. Características Una las características más importantes de la energía eólica, es que para su funcionamiento se necesita de la instalación de un aerogenerador. Otra de las características es que transforma la energía eléctrica sin la necesidad de emitir sustancias tóxicas a la capa de ozono. Además, son de gran ayuda en lugares alejados dónde se dificulta muchísimo la llegada de electricidad. Otra de las características de la energía eólica es que puede producir electricidad para abastecer a un parque eólico o grandes centrales de electricidad. Como hemos visto las características de la energía eólica son en mayoría muy favorables. La energía eólica es muy segura y disponible, pero recordemos que sí o sí precisaremos de las máquinas especializadas para la recolección de la misma, de otra manera sería muy difícil e inclusive casi imposible. Debemos disponer de un capital inicial bastante elevado para la compra e instalación del mismo. 2.4. Ventajas Es un tipo de energía renovable ya que tiene su origen en procesos atmosféricos debidos a la energía que llega a la Tierra procedente del Sol. 12 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Es una energía limpia ya que no produce emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes. No requiere una combustión que produzca dióxido de carbono (CO2), por lo que no contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climático. Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa, en laderas áridas y muy empinadas para ser cultivables. Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo prados para uso ganadero o cultivos bajos como trigo, maíz, patatas, remolacha, etc. Su inclusión en un sistema ínter ligado permite, cuando las condiciones del viento son adecuadas, ahorrar combustible en las centrales térmicas y/o agua en los embalses de las centrales hidroeléctricas. 3. TECNOLOGÍA EÓLICA 3.1. Componentes de los equipos de conversión de energía eólica. 3.1.1. Rotor: El rotor de una turbina eólica, es la parte esencial para la conversión de energía, el rotor convierte la energía cinética del aire en energía mecánica rotacional útil en un eje. Este se compone de las aspas y el cubo (elemento de sujeción de las aspas y conexión del eje del equipo). 3.1.2. Torre: Para maximizar la eficiencia de extracción de energía del viento, las turbinas eólicas deben estar localizadas por encima de obstrucciones que perturban el flujo del aire. Aire perturbado por influencia de obstrucciones como vegetación, árboles, edificios, etc. no fluye suave sobre la turbina reduciendo la eficiencia de conversión. 3.1.3. Generador: El generador es el elemento que convierte la energía rotacional del eje de la turbina en electricidad. En algunos casos se conecta a través de 13 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN una caja de aumento de velocidad. El generador produce corriente alterna o corriente directa. 3.1.4. Conexiones eléctricas y controladores: Las conexiones eléctricas y los controladores son todos los elementos necesarios para acondicionar y controlar la energía eléctrica producida por el aerogenerador. Esto incluye los contadores, interruptores focos de carga, inversores y baterías. Estos equipos son los que permiten controlar la calidad de suministro de energía eléctrica. Para el sistema de carga de baterías, un controlador de carga es utilizado para proteger las baterías de descarga o sobrecarga. Generalmente se utiliza un inversor de corriente para convertir la corriente directa de las baterías en corriente alterna requerida para operar equipos eléctricos convencionales. 4. MANTENIMIENTO Cualquier máquina requiere de un mantenimiento adecuado para operar de una manera eficiente y tener la vida útil para la cual fue diseñado. Un equipo básico de herramientas para hacer el mantenimiento de un molino de viento es el siguiente: plomada e hilo, llave para tubos de hasta 2-1/2 pulgadas, juego de 6 o más llaves fijas, nivel, alicate y destornilladores V. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN. 1. TIPO Y DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN 1.1. Tipo de investigación: 1.1.1. El Enfoque de la investigación es Cuantitativo; ya que se usa la recolección de datos para comprobar la potencia producida por el generador, con base en la medición numérica y el análisis estadístico, para establecer patrones de comportamiento y probar la hipótesis. 1.1.2. El Alcance de la investigación es Descriptivo; la cual consiste en llegar a conocer las situaciones, costumbres y actitudes 14 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN predominantes a través de la descripción exacta de las actividades, objetos, procesos y personas. Por su propósito fundamental es Investigación Aplicada, Tecnológica o de Desarrollo porque el propósito fundamental del proyecto consiste en la generación de energía eléctrica a partir de fuentes renovables como el viento, el objetivo de este consiste básicamente en la construcción y operación de un generador de energía eólica, otro ítem que se tomara en cuenta es el uso de herramientas para la elaboración de dicho generador el cual servirá para medir el voltaje que la energía eólica transmite a través de él, este aspecto es importante, ya que conociendo los recursos con los cuales se cuentan, es de esta manera como se puede conocer que limites presenta el proyecto. La generación de energía eólica es una tarea que la humanidad está descubriendo no solo como importante sino también como vital para el desarrollo de las futuras generaciones 1.2. Diseño de la investigación: Experimental - preexperimentales: en este diseño analizamos cambios mediante la construcción y medición de la potencia del prototipo de un generador eólico. 2. POBLACIÓN Y MUESTRA 1.1. Población: Factibilidad de uno de la energía eólica . 1.2. Muestra: potencia producida por un generador eólico. 3. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOPILACIÓN DE DATOS La técnica que utilizaremos será la observación de campo y el instrumento de recopilación de datos será una guía de observación de campo (Diario, cuaderno de notas, mapas, dispositivos mecánicos o de registro) 15 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN 4. PLAN DE RECOPILACIÓN DE DATOS ETAPA I: ACCIONES PRELIMINARES Actividades: Elaboraremos cuadros para la rápida selección de datos Prueba de los instrumentos. ETAPA II: TRABAJO DE RECOPILACIÓN Con los instrumentos de medición adquiridos recopilaremos los datos los cuales posteriormente serán calculados ETAPA III: ORGANIZACIÓN DEL MATERIAL RECOPILADO Contabilización y resguardo de instrumentos aplicados. Organización de los instrumentos y resultados. 5. PLAN DE PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Antes del procesamiento de la información se realizará con los siguientes pasos para construir nuestro aerogenerador. 5.1. Pasos para la construcción del Generador Eólico El experimento consta de seis partes principales a continuación, se enumeran detalladamente cada uno de los pasos a seguir para construir el generador eólico Paso 1. Fijar la torre con cuatro clavos en la base de madera. Hacer cuatro agujeros en la parte superior con un taladro. Paso 2. Soldar los cables en los respectivos polos del generador, cubrir el generador con su cubierta externa previamente pintada en color plata. 16 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Introducir Alambre de cobre en los agujeros de la torre para fijar el generador de manera que este no se mueva con la fuerza del viento. Paso 3. Pegar permanentemente las aspas en el eje del generador, Fijar los cables que van del generador a los terminales a la torre con cinta aislante. Paso 4. Colocar los bits en tabla de terminales, hacer las respectivas conexiones eléctricas para que los bits enciendan al girar las aspas del generador. Fijar la tabla de terminales en la base de madera. Paso 5. Generar viento artificial con una secadora de cabello y probar el funcionamiento correcto si los bits encienden, hemos logrado el objetivo principal transformar energía mecánica en energía eléctrica. Paso 6. Realizar los cálculos respectivos, para demostrar prácticamente la eficacia del proyecto; Podemos apoyarnos con ayuda de un Multitester para comprobar los resultados. 5.2. Diagrama de bloque para la corriente Representación gráfica, de las conexiones realizadas en el circuito del Generador Eólico, donde se puede identificar cada diodo LED y con su respectiva resistencia. CIRCUITO EN PARALELO 17 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN R1 LED ROJO R2 LED VERDE R3 LED AMARILLO + - Cada diodo LED cuenta con una resistencia que lo protege de quemarse, están conectados en paralelo, tanto los diodos LED como las resistencias. Cuando el viento hace girar las aspas transforma la energía mecánica en eléctrica atreves del generador y conduce una corriente que alimenta los LED para que estos enciendan. 5.3. Procedimiento de cálculo Para las aspas: El aire pasa sobre la parte superior del aspa más rápido que sobre la parte inferior. La velocidad más alta sobre el aspa provoca un ascenso o tirón hacia arriba que la hace girar sobre el eje que conecta al generador. Este principio es el que mantiene las aves y aeroplanos en vuelo Se obtendrá la velocidad de las aspas barrida al comenzar a girar por la ecuación de potencia para un generador eólico: 1 𝑃 = 𝜂 𝜌𝐴𝑉𝑒𝑙 3 2 18 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Despejando la Velocidad producida por las aspas tenemos: 3 2P Vel = √ ηρA Para el motor Generador Eléctrico - Corriente eléctrica (I) Para obtener el valor de la corriente generada se tiene que: V R I= Donde el V (voltaje) y R (resistencia) se medirán con un Multitester Además, la ITOT será igual a la suma de toda la corriente producida en cada uno de los Leds: ITOT = ∑ I - Potencia (P) Para obtener el valor de la potencia se tiene: P = VD I Donde P= potencia (Watts) ; V=voltaje del diodo(Volt) ; I=corriente (Ampere) En esta ecuación se tiene que para el voltaje: V= I R Dónde: R=Resistencia (Ohm Ω) Sin embargo, la corriente se debe de calcular la corriente como el cociente del voltaje de la resistencia entre la resistencia, debido a que es necesaria en encontrar la potencia de cada diodo I= VR R 19 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN VR=voltaje Del resistor La potencia total ejercida por el generador es igual a la suma de las potencias de cada diodo LED debido a que presentan diversos colores y cada uno experimenta diferente potencia PTOT = ∑ P Dónde: PTOT= sumatoria de las potencias A continuación, se procederá a calcular la diferencia relativa porcentual ente el valor teórico y los resultados experimentales: 𝑉𝑡 − 𝑉𝑒 | 𝑥 100% 𝑉𝑡 =| 5.3. Encontrado Datos Reales Los Datos reales (experimentales) fueron medidos directamente con un Multitester donde: VR se encuentra colocando el Multitester en los extremos de las resistencias de todo el circuito ya conectado y R se encuentra colocando el Tester en los VV extremos de la misma forma que encontramos voltaje pero cambiando el Multitester a la función de ohmios Ω. VD se encuentra colocando el Multitester en los extremos del diodo leds de todo el circuito ya conectado. V 20 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN 6. CRONOGRAMA Y PRESUPUESTO 6.1. CRONOGRAMA: ACTIVIDADES Elección del Tema de investigación Revisión Bibliográfica * Búsqueda y adquisición de bibliografía * Elaboración del informe * Presentacion y sustentacion del proyecto Avance en la ejecucion del Proyecto de investigación * Instalacion del prototipo de un aerogenerador * Revisión de los resultados y datos obtenidos Elaboración del Informe Final * Revisión general de los resultados y datos obtenidos * Recopilacion de datos * Preparación del informe final * Exposición del informe final 18 X 19 OCTUBRE 20 22 26 31 DIA/MES NOVIEMBRE Todo el mes 13 14 DICIEMBRE 15 16 17 19 X X X X X X X X X X X 21 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO 6.2. PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN PRESUPUESTO El proyecto será realizado por estudiantes de la carrera de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional Santiago Antúnez de Mayolo del curso de Mecánica de Fluidos. Para llevar a cabo el proyecto se hace necesario mencionar una serie de materiales que adquirimos para la construcción del Generador Eólico a escala, entre estos materiales tenemos: - Aspas. - - Taladro. - Voltímetro (Tester) Breadboars o base de construcción. - Anemómetro. - Destornillador - Tornillos - Cables - Generador eléctrico - Aparato para soldar - 8 bits o foquitos - Pedestal o torre - Martillo - Tenazas - Pasta de soldadura - Alambre de estaño - Cinta aislante - Aerosol plateado - Base de madera - Tabla de terminales - Terminales machos y hembras - Clavos - Alambre de cobre 22 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Algunos materiales mostrados anteriormente fueron comprados con un gasto de cincuenta y cinco con 00/100 soles, sin embargo, los materiales de mayor costo han sido adquiridos de manera gratuita o han sido prestados temporalmente con el fin de disminuir en gastos. VI. RESULTADOS LOS DATOS OBTENIDOS DIRECTAMENTE DEL TESTER SE MUESTRAN EN LA SIGUIENTE TABLA: RESISTOR R(Ω) VR(V) VD(V) I(mA) P=(mW) R2 9.2 0.20 1.90 21.74 41.31 R3 9.2 0.09 1.94 9.78 17.81 R4 9.2 0.07 1.95 7.61 14.84 Σ 73.96 CALCULOS DE LOS DATOS INGRESADOS A LA TABLA - Para las corrientes 𝐼1 = 𝑉𝑅1 𝑅1 𝐼1 = 0.02 9.8 𝐼1 = 0.002 𝐼2 = 0.03 - Para las potencia 𝑃1 = 𝑉𝐷1 𝐼1 𝑃1 = (2.50)(0.002) 𝐼2 = 𝑉𝑅2 𝑅2 𝐼2 = 0.3 9.8 𝑃1 = 0.005 𝑃2 = 𝑉𝐷2 𝐼2 23 FIC-UNASAM CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN 𝑃2 = (2.00)(0.03) 𝑃2 = 0.06 𝐼3 = 𝑉𝑅3 𝑅3 𝐼3 = 0.22 9.8 𝐼3 = 0.022 𝐼4 = 𝑉𝑅2 𝑅2 𝐼4 = 0.2 9.8 𝐼4 = 0.020 𝑃3 = 𝑉𝐷3 𝐼3 𝑃3 = (2.20)(0.022) 𝑃3 = 0.05 𝑃4 = 𝑉𝐷4 𝐼4 𝑃4 = (2.11)(0.02) 𝑃4 = 0.04 24 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO - PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Para encontrar la ITOT tenemos: 𝐼TOT = ∑ 𝐼 ITOT = 𝐼1 + 𝐼2 + 𝐼3 + 𝐼4 ITOT = 𝟎. 𝟎𝟎𝟐 + 𝟎. 𝟎𝟑 + 𝟎. 𝟎𝟐𝟐 + 𝟎. 𝟎𝟐𝟎 = 𝟎. 𝟎𝟕𝟒 𝒎𝑨 - Para encontrar la potencia total tenemos: PTOT = ∑ P PTOT = 𝑃1 + 𝑃2 + 𝑃3 + 𝑃4 𝐏𝐓𝐎𝐓 = 𝟎. 𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟔 + 𝟎. 𝟎𝟓 + 𝟎. 𝟎𝟒 = 𝟎. 𝟐 𝑾𝒂𝒕𝒕𝒔 Memoria de Calculo Los Diodos a utilizar son los siguientes: Rojo de alto brillo, alta eficiencia y baja corriente Amarillo Verde Para los cálculos siguientes se utiliza una corriente estimada de 14mA ya que ésta es determinada por el fabricante, pero esta principalmente oscila entre los valores de 10mA hasta 20mA. 25 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Generando una Corriente Total IT de 0.042A. Calculo para la potencia - Calculo de la Potencia para el Rojo de alto brillo, alta eficiencia y baja corriente: De la ecuación: P = IV P1 = (14mA)(1.9V) P1= 0.0266Watts - Calculo de la Potencia para el Amarillo: De la ecuación: P = IV P2= (14mA)(2V) P2= 0.028Watts - Calculo de la Potencia para el Verde: P = IV P3 = (14mA)(2.1V) P3 = 0.0294Watts 26 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO - PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Calculando la Potencia Total PT: PT = P 1 + P 2 + P 3 PT = 0.0266 Watts + 0.028 Watts + 0.0294 Watts PT = 0.084 Watts Calculo de la Velocidad. 3 2𝑃 𝑉𝑒𝑙 = √ 𝜂𝜌𝐴 Donde: P = 0.084 Watts = 0.084 J/s = 0.084 N/m.s = 0.084 kg/s3 η = Eficiencia = se supondrá de un 5% ρ = Densidad del aire = 1.25 kg/m3 A = Área barrida por las aspas = πr2 siendo r = 0.055m 2(0.084kg/s3) 𝑉𝑒𝑙 = √ 1.25𝑘𝑔 (0.05) ( ) 𝜋(0.055𝑚2 ) 𝑚3 3 Vel = 6.56 m/s Luego de obtener los resultados tanto teóricos como reales se calcula la Diferencia Relativa Porcentual para verificar el error porcentual y el por que 27 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN de dicho error, a continuación se de detallan en el siguiente cuadro los datos obtenidos para después hacer su respectiva comparación. Resultado Corriente I(A) Potencia P(Watts) Velocidad Vel(m/s) Teórico 0.042 0.084 6.56 Real 0.039 0.073 8.12 Diferencias Relativas porcentuales: - Para la Corriente: DRP = DRP = |𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑜−𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑅𝑒𝑎𝑙| 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑜 (100%) |0.042 − 0.039| (100%) 0.042 DRP = 7.143% - Para la Potencia: DRP = DRP = |𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑜−𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑅𝑒𝑎𝑙| 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑜 |0.084−0.073| 0.084 (100%) (100%) DRP = 13.095% - Para la Velocidad: DRP = DRP = |𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑜−𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑅𝑒𝑎𝑙| 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑇𝑒𝑜 |6.56−8.12| 6.56 (100%) (100%) DRP = 23.781% 28 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN VII. CONCLUSIONES El prototipo diseñado para obtener corriente eléctrica por medio de energía eólica presenta un porcentaje de error de 7.14% esto posiblemente debido a las estimaciones de corriente asumidas por la capacidad de cada Led la cual varía de acuerdo a su color. La potencia generada por el motor tiene un porcentaje de error de 13.095% mientras que la velocidad del viento en las aspas del generador presenta un error de 23.78% estas pérdidas son posiblemente debido a errores en los cálculos o mal uso de materiales de medición. La potencia producida por el generador eólico es la suficiente para generar corriente eléctrica en los diodos leds, sin embargo, mucha o casi toda de esta energía se pierde, ya que la potencia que produce el generador es mucho mayor que la capacidad de los leds. La obtención de energía eléctrica a través del aprovechamiento de las corrientes de aire representa un método viable y eficaz para suplir la demanda energética que se presenta en la actualidad, sin embargo, es necesario contar con las condiciones ambientales necesarias para poder llevar a cabo un proyecto de esta magnitud. VIII. RECOMENDACIONES Utilizar instrumentos de calidad a la hora de realizar las mediciones para obtener unos mejores resultados y si es posible buscar un mejor diseño para el generador de manera que se aproveche completamente la producción de energía. 29 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN BIBLIOGRAFÍA IX. Álvaro Pinilla S. Julio de 1997. Manual de aplicación de la energía eólica. Colombia: Instituto de ciencias y energías alternativas. Buenas tareas. Energía Eólica. http://www.buenastareas.com/ensayos/ Energ%C3% ADa-E%C3%B3lica/2207981.html Wikipedia. Energía Eólica http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e %C3%B3lica Ammonit. ¿Para qué se necesita una medición de viento precisa?. http://www.ammonit.com/es/informacion-eolica/energia-eolica Wikipedia. Ventajas de la energía eólica. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ %C3%ADa_e%C3%B3lica#Ventajas_de_la_energ.C3.ADa_e.C3.B3lica INEA. Manual de aplicación de la energía eólica http://www.si3ea.gov.co/ si3ea/documentos/documentacion/energias_alternativas/material_difusion/ manualE%F3licaweb.pdf 30 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO X. PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN ANEXOS Imagen 1. Generador de 12v Imagen 2. El generador siendo sujetado a un tubo de PVC 1/2", mediante unas abrazaderas. 31 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Imagen 3. El tubo de PVC siendo perforado por un taladro, será el orificio por donde ingrese el soporte. Imagen 4. El tubo de PVC siendo cortado por una amoladora. 32 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Imagen 5. Realizando una abertura al tubo de PVC para ingresar la cola o veleta guía. Imagen 6. Ingresando la cola o veleta guía en la abertura. 33 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Imagen 7. En la perforación de la “Imagen 3” ingresamos un perno, dos tuercas y unos rodajes que sirven para que el prototipo de generador eólico gire en dirección del viento. Imagen 8. Ingresando un adaptador de 1/2” - 1” al rodaje. 34 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Imagen 9. Ingresando el tubo de PVC de 1”, a la boquilla más grande, este tubo de PVC de 1” servirá como soporte. Imagen 10. Untado el pegamento en la punta del generador se empotra una hélice reciclada de un ventilador. 35 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Imagen 11. Mezcla de cemento que sirve de base para el prototipo de generador eólico. Imagen 12. Inserción hacia el adaptador con el tubo de 1” que está sujeta al soporte de concreto. 36 CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR EÓLICO PROYECTO DE INVEZTIGACIÓN Imagen 13. Realizando pruebas con las luces led y el Multitester. 37