Diseño óptimo de un aerogenerador casero

  

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  • Autor INGENIERIA Y DISENO
  • Idioma Español
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OBJETIVOS
1.1.    OBJETIVO GENERAL

Diseñar  un prototipo de aerogenerador como una alternativa de generar energía eléctrica renovable, ayudando a la disminución de la huella ecológica humana y como una oportunidad de aumentar los sistemas productivos de la región.
1.1.    OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1.1.1.    Investigar los beneficios de la generación de la energía eólica
1.1.2.    Aprovechar los recursos naturales renovables a los que se pueden acceder fácilmente sin agotarlos o deteriorarlos.
1.1.3.    Ser gestores de ideas nuevas en el campo energético.
1.1.4.    Incentivar el uso de este tipo de alternativas energéticas.
1.1.5.    Disminuir la huella ecológica humana en cuanto al consumo energético.
1.1.6.    Aumentar los sistemas productivos de la región como el turismo y ecoturismo
RESUMEN
El propósito de este proyecto consistió en la construcción y puesta en funcionamiento de un prototipo de aerogenerador tipo eje horizontal, como alternativa para la posible  generación de energía eléctrica usando un tipo de fuente renovable como lo es el viento, a fin de alcanzar otros objetivos como lo son  la disminución de la huella ecológica , por tanto fue necesario establecer referencias en cuanto a energías renovables, los vientos, su origen y disponibilidad en Colombia,  energía eólica, aerogeneradores, huella ecológica y su medición.
1.1.1.    Diseño y construcción del aerogenerador
El diseño del aerogenerador se realizó en un programa de diseño RHINO, teniendo en cuenta parámetros vistos en la revisión bibliográfica y documental. En el programa RHINO se hizo un diseño 3D, buscando un prototipo que fuera fuerte y acorde con el número de bobinas. Se comenzó con el diseño del chasis y de las aspas, cada una con un sistema independiente interconectados entre sí por medio de dos poleas y una banda, aumentando la velocidad incidente en las aspas a 1/3 en el eje que hace trabajar el generador.
A partir de dicho diseño se establecieron los ejes, rodamientos, platinas y tornillería apropiada y se diseñó también la base, la cual se modificó luego para obtener mayor resistencia.
Después de la parte del diseño se empezó la construcción del aerogenerador, inicialmente con las aspas a partir de la norma NACA, cuyo perfil aerodinámico es el 4412, el cual se construyó con madera de cedro para verificar ángulos, resistencia, rigidez y peso. Para las tres aspas definitivas se usaron tablones de 220cm de longitud por 20 cm de ancho y 5 cm de grosor, a los cuales se les hizo un corte trasversal y se sacaron cuatro piezas dejando las tres más parecidas en cuanto su peso y ángulos. Ver gráfica 9.

GRÁFICA 9: CONSTRUCCIÓN ASPAS

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Para la parte de generación eléctrica se fabricaron 18bobinas de alambre de cobre calibre 19, para cada una se usaron tres líneas envolviéndolas en un tambor construido en madera con las características apropiadas para estas, las bobinas quedaron con un total de 100 vueltas aproximadamente, las cuales demandaban una cantidad aproximada de 60 metros cada una, estas se usaron para construir dos discos con nueve bobinas cada uno, los cuales se construyeron con un molde para vaciado en madera donde se repartieron  equidistantemente formando un sistema trifásico y luego se hizo un vaciado con resina y fibra de vidrio.(Ver anexos 9 al final) Para la generación de energía eléctrica con este sistema también es necesario el uso de imanes con el fin de atravesar el embobinado y se produzca ésta, para lo cual se usaron también dos discos con 12 imanes de Neodimio cada uno, los cuales fueron importados de Canadá ya que tenían un costo más bajo que en el mercado nacional. Al producirse la electricidad en las bobinas sale corriente alterna (CA) la cual se rectificó a corriente continua (CC) con dos puentes rectificadores trifásicos, los cuales se fabricaron en el taller, cada uno con 6 diodos de 6A; ya que no son muy comerciales y son costosos. Al rectificar el voltaje se puede cargar una o varias baterías en las que se almacenará dicha energía.
Para el diseño de la cola se fabricó estéticamente tomando como base la cola de un pez que no solamente direccione el aerogenerador sino que a vientos muy elevados con un resorte se pliegue y sirva como freno para no alterar el sistema eléctrico o las baterías. Ver gráfica 10.

GRÁFICA 10: COLA AEROGENERADOR

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Todo el sistema está montado en un tubo cilíndrico de hierro de 4 metros de altura adicional a una plataforma de concreto de 3 metros para un total de 7 metros, sostenida con tensores dirigidos a varios ángulos del tubo. Para el montaje de las aspas y el generador se soldaron agarraderas y apoyapiés en la torre para escalar y armar o modificar el sistema y además se construyó una grúa para el montaje del aerogenerador con la ayuda de cuerdas, evitando algún accidente o daño en el equipo, ver anexos 15.
Para mediciones de tipo eléctrico se usaron dos multímetros con los cuales se miden voltaje y amperaje de manera simultánea y para la velocidad del viento un anemómetro de copas facilitado por la Universidad de Antioquia,(ver gráfica 11) apoyados en datos de estaciones meteorológicas cercanas, una en CORPOICA, ubicada en el sector de Llanogrande del municipio de Rionegro, propiedad del IDEAM y la otra ubicada en el municipio de el Carmen de Viboral, específicamente en el tecnoparque Los Olivos manejado en convenio por el SENA y CORNARE.

GRÁFICA 11: ANEMÓMETRO DE COPAS

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Para fabricar las aspas se trabajó con el perfil aerodinámico de la norma NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) 4412. A continuación se presenta una plantilla con una de las 15 secciones para la construcción de las aspas la cual está a una escala inferior con respecto a las usadas en la construcción real.

GRÁFICA 12: SECCIÓN DE ASPAS CON PERFIL NACA 4412

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Perú NACA4412 aspa diseñada por Teodoro Sánchez. 2001

La sección presentada anteriormente se posiciona de la siguiente manera  con las otras 14 secciones como se muestra en la gráfica 13, para sacar el molde del perfil aerodinámico ya sea que se construya con resina y fibra de vidrio o con madera como se usó en este caso. Ver anexos.

GRÁFICA 13: ASPA CON PERFIL NACA 4412

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Perú NACA4412 aspa diseñada por Teodoro Sánchez. 2001

1.    INTRODUCCIÓN
El propósito de este proyecto consiste en la construcción y puesta en funcionamiento de un prototipo de aerogenerador tipo eje horizontal, como alternativa para la posible  generación de energía eléctrica usando un tipo de fuente renovable como lo es el viento, a fin de alcanzar otros objetivos como lo es  la disminución de la huella ecológica y como una oportunidad de turismo en la subregión del oriente antioqueño, por tanto es necesario establecer referencias en cuanto a energías renovables, los vientos, su origen y disponibilidad en Colombia,  energía eólica, aerogeneradores, huella ecológica y su medición.
1.1.1.1.    Ventajas de la energía eólica
Hay una enorme capacidad disponible a escala mundial.
El viento es una fuente limpia de energía prácticamente sin emisiones.
El viento es una alternativa para los combustibles fósiles.
El viento es libre y con una tecnología moderna puede ser capturado en forma eficiente.
La generación eólica se puede usar en forma aislada en comunidades retiradas de la red eléctrica. (Enríquez Harper, 2012)
Además de estas también se puede agregar que este tipo de energía alternativa  contribuye a la disminución de la Huella Ecológica en el consumo energético, que es otro de los objetivos propuestos en este proyecto; pero aunque son muchos los beneficios de la implementación de este tipo de energías también existen algunas desventajas que se presentan a continuación:
1.1.1.2.    Desventajas de la energía eólica
Aun cuando usada la generación eólica a nivel de empresa eléctrica en los llamados parques eólicos o granjas eólicas, ocupan mucho terreno, la altura de las torres usadas permite el uso del terreno para agricultura o algunos otros propósitos.
Los parques eólicos afectan el paisaje y hay gente a la que no le gusta el aspecto de los mismos.
El ruido en forma de zumbido puede ser molesto.
Se dice que puede dañar a las aves (pájaros) auncuando estadísticamente hay otras causas más severas de daño a los pájaros. (Enríquez Harper, 2012)
1.1.1.3.    AEROGENERADORES
Los aerogeneradores o turbinas de viento como también se les conocen, son máquinas que se encargan de convertir la energía cinética del viento en energía eléctrica. El diseño de los aerogeneradores recrea la apariencia de los antiguos molinos de viento. Su principio de funcionamiento se basa en aprovechar la energía eólica y transformarla limpiamente en energía eléctrica. Para explicarlo de manera más sencilla, el flujo del viento hace girar las paletas de la turbina dentro del aerogenerador de manera que genera electricidad a través de la rotación de una bobina magnética. (Basilio, 2013)
Los aerogeneradores, fundamentalmente son de dos tipos, los de turbina en eje horizontal y los de turbina en eje vertical. Ambos modelos tienen ventajas y desventajas pero las de eje horizontal son más comunes debido a que poseen mucho mayor nivel de eficiencia en su desempeño. Para generar grandes cantidades de energía los aerogeneradores se agrupan en grandes parques eólicos. Las concentraciones de varios aerogeneradores es necesaria para producir energía que pueda abastecer altas demandas de consumo.(Basilio, 2013)
1.1.1.1.    Disponibilidad eólica en Colombia
En Colombia, según  el Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia, realizado por el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y estudios Ambientales) y la UPME (Unidad de Planeación Minero Energética),  existe un buen potencial de energía eólica a lo largo de la península de La Guajira, Isla de San Andrés, sectores de Boyacá y centro del litoral Caribe en el departamento de Bolívar. No obstante, en otros sectores del país, aunque no se presenta la misma persistencia de vientos en el ciclo anual, sí la hay para una determinada época del año especialmente en zonas de Norte de Santander, límites entre Risaralda, Quindío y Tolima, límites entre Cundinamarca y Boyacá, límites entre Cundinamarca, Tolima y Huila sobre la Región Andina, así como sobre el Piedemonte Llanero y Casanare para los Llanos Orientales.
Si bien Antioquia y específicamente el oriente en general no presentan un alto promedio de velocidad de viento a lo largo del año, es de resaltar que existen zonas altas, como montañas y valles en las que si existen potencial para implementar dichos aerogeneradores y producir energía eléctrica mínimo en horas de la tarde y noche, aunque no todos son de fácil accesoprecisamente por la topografía del terreno o porque son lejanos a comunidades habitadas.
A continuación en la gráfica 6 se muestra el resumen de densidad de potencia del viento para un año en Colombia.
1.1.    DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
En Colombia existen varias fuentes en cuanto a generación de Energía eléctrica, pero la que mayor aporte hace al SIN es la de origen hidroeléctrico como lo indica la gráfica 8, ya que es un recurso  abundante y en el cual se ha invertido tecnológica y económicamente. La energía hidroeléctrica también es conocida como una energía de fuente limpia pero independiente de su origen es conveniente en estos tiempos empezar a identificar todos los potenciales energéticos que estén al alcance, y aprovechar al máximo los recursos disponibles sin deteriorarlos y como su nombre lo indica tener alternativas energéticas que contribuyan al ahorro económico y a la disminución de las emisiones contaminantes.
Este es un país diverso geográfica y climáticamente con disponibilidad de muchos recursos aprovechables en cuanto a la generación de energía, tales como, viento, sol, agua, oleaje, carbón y que son más abundantes en ciertas zonas que en otras, con posibilidad de potencializarse cada uno en diferentes lugares.
1.    CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1.1.    CONCLUSIONES
Se construyó el prototipo de aerogenerador capaz de generar electricidad a partir del viento, pero no lo suficientemente eficiente para compensar la balanza costo-beneficio y poder disminuir la huella ecológica.
Se investigó sobre las energías alternativas y la importancia de apostarle cada vez más a éstas.
Se logró diseñar el prototipo totalmente en el taller propuesto desde el inicio, con trabajo propio y herramientas al alcance.
Se aprendió la importancia de investigar un poco mejor acerca del diseño, planificación y tecnologías para disminuir costos en  construcción y llegar a sistemas más eficientes.
Se logró la motivación para a partir de lo realizado, seguir adelante con el proyecto mejorando el diseño hasta alcanzar a futuro,el objetivo de mejor eficiencia.
Se llegó a la conclusión en cuanto a la huella ecológica de que el aerogenerador construido para este lugar no alcanza a disminuir la huella ecológica a razón de su poca eficiencia, aclarando que en otras condiciones de mejores vientos seguramente si es una opción que contribuye a disminuirla. 
1.2.    RECOMENDACIONES
Se debe planificar mejor a la hora de diseñar y construir un prototipo de aerogenerador, y hacer un mejor estudio de vientos de la zona a intervenir.
A la hora de construir un aerogenerador se debe centrar la atención más en la parte de las aspas, buscando innovar en este sentido y tratar de buscar la mayor eficiencia en el lugar de instalación.
Llegado el caso de poner en funcionamiento una máquina eólica como alternativa energética, sería bueno combinarla con otras opciones como paneles solares, para aumentar su potencial.
A la hora de realizar un estudio sobre huella ecológica sería ideal hacer una adaptación a cada región, ya que los formatos conocidos están caracterizados principalmente a Norteamérica y Europa donde sus costumbres y estilos de vida varían con respecto a esta región del mundo.

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PROYECTO AEROGENERADOR
TÍTULO:

DISEÑO Y CONSTUCCION DE UN AEROGENERADOR DE FABRICACION INDUSTRIAL
ASESOR:
Sergio Agudelo Flórez
Profesor Departamento Ingeniería Mecánica
ESTUDIANTE
Diego Alejandro Ramírez Cardona
TECNOLOGÍA EN ECOLOGÍA Y TURISMO
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
SECCIONAL ORIENTE
EL CARMEN DE VIBORAL
2013

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