Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 1 Resumen EsteproyectoseenmarcaenunconveniodecolaboracinentreITDG(Intermediate Technologies Development Group) y la UPC. El objetivo de este proyecto es la introduccin en laUPCdeconocimientosacercadelfuncionamientoycomposicindeunaerogeneradorde bajapotencia(IT-100),yladeterminacindelosaspectosmsrelevantesadesarrollaren futuros estudios de continuidad del presente proyecto, que permitan optimizar el funcionamiento de este tipo de mecanismos. Paracontribuiralaampliacindeconocimientossehaestudiadoelcomportamiento mecnico y elctrico del aerogenerador. El estudio mecnico se basa fundamentalmente en el anlisis del funcionamiento del sistema de proteccin del aerogenerador en funcin del viento y de los parmetros dimensionales del mecanismo, mientras que el estudio elctrico consiste en la determinacin terica de la potencia elctrica entregada en funcin de la velocidad del viento. Seincluyeunmanualcompletamentedetalladodeconstruccinmanufacturadadel aerogenerador. Este enfoque constructivo se plasma tambin en un listado preciso de todos los materialesnecesariosparalaconstruccinymontajedelosdiferenteselementosque componenelaerogenerador,ascomounlistadocompletodelosmaterialesnecesariospara manufacturarlosmoldesyplantillasquerequierelaconstruccindelaerogeneradordescrito. Ademssehaincluidounestudiodelcosteeconmicoyunestudiodelcosteenergtico derivado de la construccin ntegra del aerogenerador, que permite analizar ms objetivamente la viabilidad de construir ms aerogeneradores de este tipo en el futuro. Tras los estudios realizados, se puede afirmar que el coste econmico de construccin casera (sin tener en cuenta la mano de obra) del aerogenerador es bajo, y a nivel energtico, es viable, ya que en un periodo muy reducido, en comparacin a la vida til del aerogenerador, se recupera la energa consumida en la construccin, emplazando el aerogenerador en una zona de vientos bajos.Pg. 2Memoria Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 3 Sumario SUMARIO ____________________________________________________3 1.INTRODUCCIN __________________________________________7 2.ANTECEDENTES__________________________________________9 2.1.Dificultades de acceso a la energa............................................................. 9 2.1.1.Precio de la electricidad.......................................................................................11 2.1.2.Alternativas energticas.......................................................................................11 2.1.3.Dependencia de la biomasa................................................................................12 2.2.El papel de la energa.................................................................................. 14 2.2.1.En el desarrollo ....................................................................................................14 2.2.2.La lista de objetivos del milenio de la ONU para el 2015 ...................................16 2.2.3.Importanciadelaenergaenelcumplimientodelosobjetivosdedesarrollodel milenio de la ONU................................................................................................19 2.2.4.Papel especfico de la energa elctrica en ambos aspectos ............................22 2.3.La alternativa de la elica de baja potencia ............................................. 22 2.3.1.Uso del aerogenerador de baja potencia............................................................24 2.3.2.Ejemplos de uso del aerogenerador de baja potencia .......................................26 3.DESCRIPCIN DEL AEROGENERADOR _____________________31 3.1.El generador de imanes permanentes (PMG) .......................................... 32 3.1.1.Estator ..................................................................................................................33 3.1.2.Rotores magnticos.............................................................................................33 3.1.3.El buje...................................................................................................................35 3.1.4.El eje.....................................................................................................................36 3.1.5.El montaje elctrico..............................................................................................36 3.2.El rotor elico............................................................................................... 40 3.2.1.Introduccin..........................................................................................................40 3.2.2.Rotor elico del IT-100.........................................................................................43 3.2.3.Las palas..............................................................................................................43 3.2.4.Los discos del rotor..............................................................................................46 3.3.La montura del aerogenerador .................................................................. 47 3.3.1.Montura del buje ..................................................................................................48 3.3.2.Soportes del estator.............................................................................................49 3.3.3.Tubo de viraje ......................................................................................................49 3.3.4.Parte interna de la bisagra de la cola..................................................................50 3.4.Cola del aerogenerador .............................................................................. 50 3.4.1.Cola ......................................................................................................................50 3.4.2.Veleta ...................................................................................................................51 Pg. 4Memoria 3.5.La estructura (torre) .................................................................................... 52 3.6.Ensamblaje del conjunto mecnico.......................................................... 53 4.MATERIALES Y PESO DEL AEROGENERADOR _______________55 5.ESTUDIO ELCTRICO DEL AEROGENERADOR _______________59 5.1.Introduccin................................................................................................. 59 5.2.Resumen del estudio de ITDG-CONCYTEC-UNI ...................................... 60 5.2.1.Pruebas con el motor Shunt ................................................................................61 5.2.2.Estudio del generador con imanes permanentes de Neodimio .........................61 5.2.3.Estudio del aerogenerador de imanes permanentes de neodimio ....................62 5.3.Clculo terico de la tensin en el generador de Neodimio .................. 64 5.3.1.Clculo terico de la tensin eficaz inducida en una bobina..............................64 5.3.2.Clculo terico de la tensin de salida del generador........................................69 5.3.3.Clculo de la tensin de salida del rectificador...................................................74 5.4.Caracterizacin del Aerogenerador .......................................................... 75 5.4.1.Relacin del coeficiente de potencia y el parmetro lambda.............................75 5.4.2.Circuito interno de la batera................................................................................78 5.4.3.Explicacin de funcionamiento de la hoja Excel .................................................80 5.4.4.Conclusiones .......................................................................................................82 6.ESTUDIO MECNICO DEL AEROGENERADOR________________83 6.1.Definicin del sistema mecnico............................................................... 83 6.2.Metodologa.................................................................................................. 88 6.2.1.Balance de fuerzas sobre la cola, en la base III: ................................................89 6.2.2.Balance de fuerzas y momentos sobre el sistema completo, en la base 0: ......92 6.2.3.Resultados ...........................................................................................................94 7.ESTUDIO DE VIABILIDAD ENERGTICA _____________________97 7.1.Energa necesaria para la construccin del aerogenerador .................. 97 7.1.1.Energa incorporada a los materiales .................................................................97 7.1.2.Consumo total de energa .................................................................................100 7.2.Energa generada por el aerogenerador................................................. 101 7.2.1.Estimacin de la potencia elctrica media anual ..............................................101 7.3.Conclusiones ............................................................................................. 103 7.3.1.Clculo del tiempo de retorno energtico .........................................................103 8.ESTUDIO MEDIO AMBIENTAL Y SOCIAL ____________________105 8.1.El impacto ambiental de la energa elica.............................................. 105 8.1.1.Ahorro de emisiones..........................................................................................105 8.1.2.Otros beneficios.................................................................................................107 8.1.3.Interacciones con el medio fsico ......................................................................108 Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 5 8.1.4.Interacciones con el medio bitico ................................................................... 108 8.1.5.Interacciones con el medio humano................................................................. 109 8.2.Impacto socioeconmico regional .......................................................... 112 9.PRESUPUESTO_________________________________________113 9.1.Coste econmico del diseo del proyecto............................................. 113 9.2.Coste econmico de la construccin del aerogenerador..................... 114 9.3.Presupuesto final....................................................................................... 117 CONCLUSIONES ____________________________________________119 AGRADECIMIENTOS_________________________________________121 BIBLIOGRAFA _____________________________________________123 Pg. 6Memoria Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 7 1.Introduccin Elorigendelpresenteproyectoradicaenlafaltadeenergaelctricaenpoblaciones ruralespobres de pases en vas de desarrollo, tales como Per o Sri Lanka. Debido a la falta deredelctricaqueabastezcaaestaspoblaciones,diversasONGshandesarrollado infraestructuras con alternativas energticas para poder abastecer de la energa necesaria para usosmnimoscomoluz,radioytelevisin,amuchsimasfamiliasenestaspoblaciones.Esta pequea cantidad de energa puede mejorar el nivel de vida de los ms pobres. En estas zonas, muchas casas utilizan bateras elctricas para tener potencia elctrica, y a menudose cargan en la ciudad ms cercana, lo que puede ser costoso en dinero, tiempo y conveniencia. Los pequeos aerogeneradores son una opcin mejor para cargar las bateras. El proyectosedesarrollaenunmarcodecolaboracinentreITDGylaUPC,conelobjetivode crearunosconocimientosacercadelacaracterizacinconstructiva,mecnicayelctricade este tipo de aerogeneradores en la UPC, para que en un futuro, se pueda continuar el estudio llegandoafabricarunprototipoennuestraescuela,queasuvezpermitaestablecerms informacin y mejoras sobre el comportamiento de estos mecanismos. Elalcancedelproyectoincorporaunmanualdemanufacturadelaerogenerador, informacindelosmateriales,proveedoresypreciosdeloscomponentesquepermitauna construccin fcil, econmica y correcta del aerogenerador. El estudio mecnico del sistema de proteccin,presentadeformapreliminarelmtodoadesarrollarenfuturosproyectos,que permitirconocerlasrelacionesentrelasvariablesquedeterminanelcomportamientodel sistema,enfuncindelosparmetrosdimensionalesdelmecanismo.Elestudioelctricodel aerogenerador permite obtener, de forma aproximada, las relaciones entre todos los parmetros que influyen en el clculo del valor de la potencia elctrica de salida en funcin de la velocidad deentradadelviento,ypoderasevaluarrpidamentelasensibilidaddelsistemaantela variacindedeterminadasvariables.Todaslasrelacionesestablecidassehanbasadoenlos resultadosobtenidosenelestudiorealizadoporITDG-CONCYTEC-UNI(Intemediate TechnologyDevelopmentGroup-ConsejoNacionaldeCienciayTecnologa-Universidad Nacional de Ingeniera. [11]. Porloquerespectaalestudioenergtico,larealizacindelmismosirveparapoder evaluareltiempoderetornoenergticoquenecesitaelaerogeneradorenunlugarconcreto para aportar la energa consumida en su construccin. Pg. 8Memoria Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 9 2.ANTECEDENTES 2.1.Dificultades de acceso a la energa En muchos lugares del planeta el acceso a la energa elctrica an no es posible por desgracia,ytantoelcrecimientodelapoblacinmundialcomoelaumentodelconsumo energtico(debidoentreotrascausasaestecrecimientodepoblacin)hacenqueenun largo plazo sea imposible garantizar el acceso a la energa elctrica para toda la poblacin mundial.Lasprimerasetapasdeldesarrolloeconmicodeunpasrequierenunagran intensidadenergtica,yaqueesnecesarioconstruirinfraestructurasdetodotipo,loque exigeindustriapesada,lacualrequiere,asuvez,grandescantidadesdemateriaprimay, claroest,deenerga.Esporesoquepasesenvasdedesarrolloypases subdesarrolladoscondificultadesdeobtencindeenerga,querequierendeunagran intensidad energtica para desarrollarse y poder obtener a la vez ms energa. Al no poder disponer de sta no tienen la posibilidad de crear todas las infraestructuras que permitiran abastecersedemsenerga.Esuncrculoviciosoquedificultaeldesarrollodeciertos pases ms desfavorecidos. Msde1.600millonesdepersonasenelao2.000,notenanaccesoala electricidad,oloquesignificaun27%delapoblacinmundial;aproximadamente509 millones en el frica sub-sahariana, 28 millones en el Shara, 800 millones en la India, 223 enelsurdeAsia,18millonesenChinay56millonesenSudamrica.Elbancomundial estimaqueelnmerodepersonassinelectricidadhabajadode1.900millonesen1970, pero no de una forma proporcional, ya que en 1990, eran 2.000 millones. [1]. ElniveldeelectrificacinparalospasesdelaOCDE(Organizacinparala Cooperacin y el Desarrollo Econmico) est por encima del 99%. El nivel de electrificacin para el Medio Este, el Norte de frica, el Este de Asia, China y Latino Amrica, estn todos porencimadel85%.Msdel80%delapoblacinquesinaccesoaelectricidadestn situadosenelsurdeAsiayenelfricasub-Saharariana(Grfico2.1).Lafaltade electricidadestfuertementerelacionadaalnmerodepersonasquevivenconmenosde 2$alda.Losingresos,sinembargo,nosonelnicofactordeterminantedelaccesoala electricidad.EnChina,conel56%desupoblacinaunpobre,sehaconseguido subministrar energa a ms del 98 % de su poblacin. [1]. Pg. 10Memoria Grfico 2.1. Niveles medios de electrificacin por regiones. [1] Con solo el 23% de su poblacin electrificada, el frica sub-Sahariana tiene el nivel de electrificacin ms bajo de cualquier regin del mundo (Tabla 2.1). Ms de 500 millones deafricanosannotienen acceso a la electricidad. La pobreza de la regin es una razn, pero es la baja densidad de poblacin la que eleva el coste de extender la red elctrica. [1]. Hay580millonesdepersonassinelectricidadenlaIndia.Aunquelaredelctrica tcnicamentealcanzaal90%delapoblacin,sloun43%estnconectadosactualmente debido a que mucha gente pobre no puede afrontar los gastos de la conexin. [1]. Durantelasltimastresdcadas,lamitaddelcrecimientopoblacionalenelmundo sehaproducidoenzonasurbanas.Laelectrificacinenelmundosehamantenidoconla urbanizacin,mantenindoseelnmerodepoblacinurbanasinelectricidaden aproximadamente250millones.Undatointeresanteesqueelincrementodela electrificacin urbana creci del 36% en 1970 al 91% en 2000. El groso de poblacin urbana sin acceso a electricidad vive en frica y el Sur de Asia, donde ms del 30% de la poblacin urbana no tiene electricidad. URBANA (%)RURAL (%)TOTAL (%) Norte de frica99.379.990.3 Sub-Sahara51.37.522.6 frica63.116.934.3 Sur de Asia68.230.140.8 Amrica Latina98.051.586.6 Este de Asia/China98.581.086.9 Medio Este98.576.691.1 Pases en desarrollo85.651.164.2 El mundo91.256.972.8 Tabla 2.1. Niveles de electrificacin por regin, en zonas rurales y urbanas. [1]. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 11 Cuatro de cada cinco personas sin acceso a electricidad viven en reas rurales. En frica, ms del 83% de la poblacin en zonas rurales aun carece de electricidad. En el frica Sub-Sahariana,msdel92%delapoblacinruralnotieneaccesoalaelectricidad.Enel sur de Asia, el 70% de la poblacin rural no tiene acceso a la electricidad. Alniveldeconexionesdelapasadadcada,llevarmsde40aoselectrificarel Sur de Asia y casi el doble de tiempo para el frica sub-sahariana. [1]. 2.1.1.Precio de la electricidad Inclusocuandoexistelainfraestructuraparasuministrarelectricidadalospobres, stos muchas veces se ven incapaces de pagarla. Principalmente hay dos barreras: Elcosteinicialdeconexinalaredydelcableadointerior,quepuedesermuy elevado para casas pobres. Elpagomensualdelconsumo realizado; debido a que mucha gente pobre no gana unsalarioregular,esdifcilparaellosmantenerlospagosmensualesdela electricidad. Comoresultado,muchospasesendesarrollosubvencionanlaelectricidadalas casas.Enmuchospases,lacantidaddesubvencionesyelmodocomoseentregantiene como resultado muchas prdidas econmicas, despilfarros por parte de los consumidores y efectosmedioambientalesnegativos.Noobstante,inclusocuandolossueldosson suficientementeelevados,muchascasassedesanimanaconectarseporlapobrecalidad del servicio, incluyendo cortes frecuentes. [1]. 2.1.2.Alternativas energticas Enzonasrurales,esmsinteresantecentrarlainversinmsenaprovecharlos recursospropiosdecadazona,incluyendocombustiblesfsiles,parahacerfuncionar actividades de generacin. Las inversiones ms pequeas son ms probables para proveer fondos y beneficiarn ms a la gente pobre. La tecnologa utilizada debera estar basada en la economa y en la disponibilidad natural de recursos. En zonas remotas, donde la distancia alaredesdemasiadocostosacomoparaconectarlascomunidadesalarednacionalo regional, los proyectos descentralizados son una opcin. (Tabla 2.2). Lo que se necesita es unaestrategiaglobal,coordinandopolticasyprogramasqueportecnologa,economay capacidad constructiva puedan llevarse a cabo. Pg. 12Memoria TECNOLOGAAPLICACIONESVENTAJASDESVENTAJAS Motores DieselBombas de agua Molinos Refrigeracin Iluminacin y comunicacin Mantenimiento fcil Servicio energtico continuo (24h) Permite actividades que generan ingresos Alto gasto de combustible Emisiones nocivas y de CO2 Pequeos equiposde biomasa Bombas de agua Molinos Refrigeracin Iluminacin y comunicacin Permite actividades que generan ingresos Posible generacin continuaEmisiones nocivas Mini-hidrulicaMolinos Iluminacin y comunicacin Otros Larga vida Alta fiabilidad Permite actividades que generan ingresos Localizacin especfica Disponibilidad intermitente del agua ElicaBombas Molinos Iluminacin y comunicacin Sin combustiblesBateras caras Servicio intermitente deEnerga Solar-fotovoltaicaIluminacin bsica Equipos electrnicos Sin combustiblesAlto coste de capital Alto coste de recambio de laBatera Necesita ms I + D Tabla 2.2. Ejemplos de tecnologas de equipos de potencia sin conexin a la red. [1]. 2.1.3.Dependencia de la biomasa Debidoalcostedeaccesoalaelectricidadmuchaspersonasoptanporelusode energasalternativascomolasmostradasanteriormente.Enlamayoradeloscasosse tomalabiomasacomosolucinfcil,econmicayalalcance.Perosonmuchaslas desventajasdeladependenciadelabiomasa.Lagentepobreenpasesendesarrollo dependenmuchsimodelabiomasatradicionalparacocinarycalentar.Enestospases, 2.400 millones de personas dependen de la biomasa tradicional. La poblacin incluida en la tabla 2.3 puede tener o no acceso a la electricidad para iluminar, pero generalmente carecen de acceso a servicios modernos para cocinar y calentar. Millones de personas% de la poblacin del la regin China706 56 Indonesia155 74 Resto del Este de Asia137 37 India585 58 Resto del sur de Asia128 41 Amrica Latina96 23 Norte de frica/Medio Este8 0,05 frica sub-Sahariana575 89 Pases en desarrollo2.390 52 Tabla2.3.Poblacinquedependedelabiomasatradicionalparacocinarypara calentar, en pases en desarrollo en el ao 2000. [1]. El extenso uso de la biomasa de formas tradicionales y la disponibilidad limitada de combustiblesmodernossonmuestrasdepobreza.Esteusotambinimpideeldesarrollo econmico y social: Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 13 Tiempoperdidorecogiendocombustible:Elusoextendidodemaderaycarbn vegetal puede resultar un sacrificio. Esto fuerza a la gente (generalmente mujeres y nios) a perderhorasrecogiendomaderayotrasformasdecombustiblemuylejosdesushogares. En la India, de 2 a 7 horas cada da se dedican a la recoleccin de combustible para cocinar. Esto reduce el tiempo que la gente puede dedicar a otras actividades productivas, como el cultivo o la educacin. Elgnero:El70%detodalagentequeviveensituacindepobrezasonmujeres. Las mujeres son de gran importancia en la mejora de los servicios energticos porque ellas son las usuarias principales de la energa del hogar. Tienen ms probabilidades de sufrir los efectos sobre la salud de las aplicaciones ineficientes de este tipo de energas. Medio Ambiente: La recogida de madera como combustible conlleva la escasez local y el dao ecolgico en zonas de alta densidad de poblacin donde hay una gran demanda de madera. Laeficienciaenergtica:Enpasesendesarrollo,loscombustiblesdebiomasase quemanamenudoenhornosineficientes.Lamaderaesmuchomenoseficientepara cocinar que los combustibles modernos, como el queroseno y los GLP. Lasalud:Elusodelabiomasapuedeacarreardaosgravesalasaludpor inhalacinenlugarescerradosdeloshumosdecombustinoporllevarlosniosylas mujerescargasdemasiadopesadasdemadera.Losposiblesefectosvandesde enfermedadesrespiratorias,talescomoasmaeinfeccionesrespiratoriasagudashasta enfermedadesdepocopeso,mortinatoyenfermedadescardiacas.Seestimaque2,5 millonesdemujeresyniosenpasesendesarrollomuerenprematuramentecadaaoa causa de la respiracin de humos de los hornos de biomasa. Productividadagrcola:Elusodelaenergadebiomasareducelaproduccin agrcola,debidoaquelosresiduosagrcolasyexcrementosseusanhabitualmentecomo fertilizantes.Cuantomsbiomasaseutilizaparalacasa,menosquedadisponiblecomo fertilizante. El uso de excrementos como combustible en la India se valora en 800 millones de dlares al ao si fuera utilizado como fertilizante. Pg. 14Memoria 2.2.El papel de la energa 2.2.1.En el desarrollo El consumo de energa es consubstancial al desarrollo econmico y social. El acceso a laenergapermitemejorarlascondicionesdevida,incluyendomejorasenlasalud,la alimentacin y la educacin. Tanto el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) como la AIE han puestodemanifiestoelestrechovnculoqueexisteentreelniveldedesarrollodeunpas (medido segn el ndice de desarrollo humano, IDH, un indicador del PNUD que tiene en cuenta laesperanzadevida,elgradodeescolarizacinyalfabetizacinylarentapercpita)ysu consumo energtico. La conexin salta a la vista en los pases ms pobres, donde la relacin entre el IDH y el consumo de energa per cpita es muy acusada (Grfico 2.2). Grfico2.2.Relacinentreelndicededesarrollohumano(HDI)yelconsumodeenerga primaria (ao 2002). [2]. En los pases menos afortunados el uso de la energa va directamente ligado al grado dedesarrollo.Yaqueelaccesoalaenergapermitemejorarlascondicionesdevidadelos individuos. Como se ver ms adelante, la energa es fundamental para cumplir los objetivos de desarrollo del milenio, pero a continuacin se muestran unos ejemplos de cmo el uso eficiente de la energa ayuda a mejorar aspectos como la salud, la alimentacin y la educacin: Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 15 Elaccesoaformasmodernasdeenergaevitaelconsumo poco eficiente de biomasa tradicional (lea y excrementos animales) en hornos y cocinas rudimentarios; de esta forma la atmsferadomsticaesmssaludable,conlaconsecuentereduccindeenfermedades respiratorias en mujeres y nios (que son quienes ms tiempo pasan dentro de la vivienda). En la mayor parte de los pases empobrecidos las mujeres (adultas y jvenes) son las quellevanelpesodelastareasdomsticasy,enzonasrurales,dedicanunapartemuy importantedesutiempoalacopiodecombustible;elaccesoacombustiblesmodernosles permiteganaruntiempoquepuedendedicaramejorarlaproductividaddeloshuertos,ala educacin, a cuidar de los hijos, etc. La electricidad permite alargar las horas de luz (mejora de la productividad en talleres de artesana,niosyadultospuedenestudiartraslapuestadesol,etc.)ypermite,porejemplo, conservar medicamentos en neveras en puestos de asistencia mdica. Laenergapermiteutilizarmaquinariaeincrementarlaproductividaddeterrenos, mejorandolaalimentacindecomunidadesrurales,favoreciendolaventadeexcedentes(as como la manufactura de productos elaborados y con valor aadido a partir de los excedentes). Laenergaayuda,pues,asalirdelapobreza,areducirlamortalidadinfantilya disminuir las diferencias de gnero, entre otros beneficios. Pg. 16Memoria 2.2.2.La lista de objetivos del milenio de la ONU para el 2015 EnAbrildel2001,enlanovenasesindelaComisinperaelDesarrolloSostenibledelas Naciones Unidas, los gobiernos del mundo, confeccionaron un listado de objetivos de desarrollo del milenio: Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 17 Pg. 18Memoria Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 19 Tabla 2.4. Objetivos de Desarrollo del Milenio. [4] 2.2.3.Importancia de la energa en el cumplimiento de los objetivos de desarrollo del milenio de la ONU Sehaclasificadounaseriedeaspectosenlosqueelteneraccesoalaenerga puede ayudar a conseguir para cada uno de los objetivos del milenio segn el objetivo: Objetivo 1: Erradicar la pobreza extrema y el hambre -Elaccesoaserviciosenergticosdecombustibleslquidos,slidosyelectricidad, permite el desarrollo empresarial. -La iluminacin permite la generacin de ingresos ms all de las horas de luz. -La maquinaria incrementa la produccin. -Lossuministroslocalesdeenergaamenudosepuedenproporcionarapequea escala,connegociospropioscreandoempleoenelserviciolocaldesuministrodeenergay mantenimiento. -Loscombustibleslimpiosy eficientes reducen la gran parte de gastos de una casa en cocinar, iluminar y mantener caliente el hogar. -Lamayora(95%)delosalimentosdeprimeranecesidadsedebencocinarantesde comer y necesitan agua. -Sereducenlasprdidaspost-cultivograciasaunamejorpreservacin enfriando/congelando. -La energa para el riego aumenta la produccin de alimentos y el acceso a la nutricin. Pg. 20Memoria Objetivo 2: Lograr la enseanza primaria universal -Laenergapuedeayudarcreandounambientemsagradable(accesoa agua limpia, sanidad, luz, y zonas con calefaccin/ventilacin), gracias a mejorar la atencin en la escuela y reduciendo los abandonos escolares. -Lailuminacinenlasescuelasayudaaretenerprofesores,especialmentesisu alojamiento dispone de electricidad. -Laelectricidadpermiteaccederamedioseducacionalesycomunicacionesenlas escuelas y en casa. Esto incrementa las oportunidades de educacin y permite el aprendizaje a distancia. -Elaccesoaenergaacarrealaoportunidaddeutilizarequiposparaensear (proyectores, ordenadores, impresoras, fotocopiadoras, equipos cientficos). -Losaccesosmodernosdeenergaylosdiseoseficientesdeedificiosreducenlos costes de calefaccin/refrigeracin. Objetivo 3: Promover la igualdad entre los sexos y la autonoma de la mujer -La disponibilidad de servicios energticos modernos libera a las nias y mujeres jvenes demuchotiempodedicadoaactividadesdesupervivencia(recogerlea,irabuscaragua, cocinar ineficazmente, cosechar a mano, trabajo manual en el campo). -Losequiposdecombustibleslimpiosdecocinareducenlaexposicinalaire contaminado y mejora su salud. -Una iluminacin de calidad permite estudiar en casa y las clases vespertinas (sin luz, y cuando ya se han realizado las tareas de la casa). -La iluminacin de las calles mejora la seguridad de las mujeres. -Losserviciosenergticosafrontablesyfiablesofrecenoportunidadesaempresasde mujeres. Objetivo 4: Reducir la mortalidad infantil -La polucin en las casas contribuye a infecciones respiratorias que justifica ms del 20% de las 11 millones de muertes de nios cada ao. [5] -Larecogidaypreparacindecombustiblestradicionalesexponelasaluddelosnios ms jvenes a riesgo y reduce el tiempo dedicado a la atencin de stos. -Elabastecimientodecomidacocinadanutritiva,unespacioparacalentaryelagua hervida, contribuyen a una mejor salud. -La electricidad permite el bombeo de agua limpia y su depuracin. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 21 Objetivo 5: Mejorar la salud materna -Senecesitanlosserviciosenergticosparaaccederafacilidadesmdicasparael cuidadomaterno,incluyendolarefrigeracindeciertasmedicinas,laesterilizacindelos equipos, y las salas de operaciones. -Lascargasexcesivasdetrabajoyeldurotrabajomanual(llevandopesosdeleay agua) puede afectar a la salud y bienestar de las mujeres embarazadas. Objetivo 6: Combatir el VIH/SIDA, el paludismo y otras enfermedades -Laelectricidadenloscentrosdesaludpermiteladisponibilidadnocturna,ayudaa retenerapersonalcualificado,ypermiteelusodeequipos(esterilizacin,refrigeracinde medicamentos, etc). -Elusodelaenergapararefrigerarpermitelavacunacinyelalmacenamientode medicamentos para prevencin y tratamiento de enfermedades e infecciones. -Laelectricidadpermiteaccederamediosdeinformacindeeducacindelasaluda travs de tecnologas de informacin y comunicacin. Objetivo 7: Garantizar la sostenibilidad del medio ambiente -El crecimiento de la produccin agrcola se facilita con el uso de maquinaria e irrigacin, lo cual a su vez reduce la necesidad de expandir la cantidad de tierra cultivada, reduciendo la presin sobre el ecosistema. -Elusodecombustiblestradicionalescontribuyealaerosin,reducelafertilidaddel suelo, y contribuye a la desertizacin. La substitucin de combustible, mejora la eficiencia, y los cultivos de energa pueden hacer una explotacin de los recursos naturales ms sostenible. -Usar combustibles ms limpios y eficientes, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, que son los mayores contribuyentes al cambio climtico. -Laproduccindeenergalimpiapuedefomentarmejorlagestindelosrecursos naturales, incluyendo el agua de mejor calidad. -La energa se puede utilizar para depurar el agua o bombear agua limpia, reduciendo el tiempo dedicado a recogerla y reduciendo as el trabajo pesado. Pg. 22Memoria 2.2.4.Papel especfico de la energa elctrica en ambos aspectos Laenergaelctricaesunaformaevolucionadadeenergafinal:debeproducirsea partir de energa primaria y est muy ligada al nivel de desarrollo de los pases. La fraccin que representa la electricidad respecto del consumo de energa final es ms alto cuanto ms evolucionadasestnlassociedades:suusoesindispensableparaelniveldeconfort domsticooccidental,ylasociedaddelconocimientoylainformacinseraimposiblesin ella. Enpasesconunagrandispersinruralydondenohayunainfraestructurade distribucin, la generacin distribuida, y casi siempre aislada, utilizando energas renovables noslorepresentaunaopcinviable,sinoque,amenudo,eslanicasolucinpara proporcionar acceso a la electricidad a una parte muy importante de la poblacin.2.3.La alternativa de la elica de baja potencia Comosehacomentadoanteriormente,aunmsde2.000millonesdepersonas,la mayoraenzonasruralesalejadasdecualquieraccesoalaredelctrica,continan utilizandocombustiblestradicionalescomomadera,carbn,residuosagrcolasyde animales,contaldeconseguircalefaccinycocinarlosalimentos.Elaltocostedeestos patrones de produccin y consumo de energa, limita en gran medida las oportunidades de desarrollosocialyeconmicodeestascomunidades,alavezquecontribuyenala degradacin medioambiental tanto a nivel regional como global. Comoseobservaenlameta1delobjetivo1delosobjetivosdedesarrollodel milenio,sequieredisminuiralamitadelnmerodepersonasquevivenconmenosde1 dlardiarioparael2015,paralocualelaccesoafuentesdeenergaasequiblesesun prerrequisito. Este reto, presenta una oportunidad para encontrar caminos alternativos para laproduccinyelusodelaenergaquesean,econmicamente,socialmentey medioambientalmentesostenibles,quealavezintroduzcanunaherramientaimportante como medio para conseguir el desarrollo humano. La energa elica comparada con otros tipos de alternativas energticas renovables resultacompetitivafrentealafotovoltaica,labiomasayladegeneradoresdiesel,slo resulta ms cara que la micro-hidrulica. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 23 Tambin, es muy atractiva por su potencial de creacin de trabajo y la facilidad con la que su tecnologa puede ser transferida a pases en vas de desarrollo, facilitando, as, las tareasdecapacitacinylapromocindelosmecanismosdemercadoque,sison debidamentediseadosycomplementadosconmedidasreguladoras,puedencontribuira solucionar la crisis energtica en el hemisferio Sur, a la vez que contribuyen a la proteccin del medio ambiente. Enunescenarioenergticomsamplio,conciertasrestriccionesgeogrficasy climatolgicas, la energa elica puede complementar a otras soluciones cuyo acercamiento aestaszonasesbastantecostosa.Estehecho,ampliaelabanicodeproyectosde produccin y consumo de energa en zonas donde el coste de la extensin de la conexin a la red elctrica resulta inviable, y en muchas ocasiones la situacin ms asequible puede ser un sistema hbrido que combine energa elica, fotovoltaica y generadores diesel. Aerogeneradores pequeos para el desarrollo rural El aerogenerador convierte la energa del viento en energa elctrica, que puede ser usada para la carga de bateras, electrificacin de cases y granjas, reduccin del consumo degeneradoresdiesel,accionamientodebombasparalaextraccindeagua,etc.Dada la naturaleza intermitente del viento, es usual incorporar al sistema algn tipo de dispositivo de almacenamiento,sevienenutilizandobaterasconvencionalesdeplomo-cidoconuna capacidad de 1kWh. Construccin de un aerogenerador de imanes permanentesEnginyeriaSenseFronteres(ESF)encolaboracinconIntermediatedTechnology Development Group (ITDG) propone la construccin de un aerogenerador simple de imanes permanentes,basadoenelmodeloexistentedesarrolladoporITDGconelpatrociniodel UK Departament for International Development. En los ltimos aos, ITDG ha desarrollado unagranactividadintroduciendoestetipodemquinasenPeryenSriLanka,dentrode programas integrales de desarrollo. Pg. 24Memoria Eslapropuestadeconstruccindelaerogeneradordeimanespermanentes, denominadoIT-100,laquenosllevaalainteresantetareadedesarrollarunproyectoque tienecomoobjetivosfundamentales,eldesarrollarunmanualmuyconcretoydeterminado paralaconstruccindedichoaerogeneradorquepermitafacilitarlasgestionesnecesarias paraobtencindemateriales,montaje,puestaapuntodelaerogenerador,ascomo adecuarloaunpresupuestolomsptimoposible.Ademscomo,sehacomentadoenla introduccin,esdeintersampliarlosconocimientossobreelfuncionamientoelctricoy mecnicodeestetipodeaparatos,paradeterminaras,lospuntosclavequeprecisanser mejorados en futuros proyectos. 2.3.1.Uso del aerogenerador de baja potencia En zonas sin red elctrica, muchas casas utilizan bateras elctricas de motocicletas, coches o camiones para tener potencia para radios o televisin. Esta pequea cantidad de energapuedemejorardesproporcionadamentelavidanormaldelosmspobres.Cuando haysuficienteenergaparadarluz,sepuedemejorarlasoportunidadesdemuchagente; por ejemplo mejorando las oportunidades que tendrn los nios en su vida posteriormente, permitindolesestudiarcuandoanochezca,opermitiendorealizartrabajosdiversosala poblacincuandoanochezcaconlosbeneficiosqueestopuedereportar.Esimportante sealarqueenpasescomoPer,anochecealas6delatarde,conlocualelhechode disponer o no de luz influye de manera significativa en la vida de ciertas poblaciones. Esenlacargadeestasbaterasdondeentraeljuegolautilizacinde aerogeneradores de baja potencia, con sus puntos a favor y contra a tener en cuenta.Ventajas La cantidad de energa disponible de las bateras puede aumentar, y no se tendrn que comprar nuevas bateras tan frecuentemente: En una buena localizacin, y cuidando el manejo delaenergaylabatera,lacantidaddeenergadisponibleparausarseporunhogarser mayorcuandolabaterasecarguegradualmentequecuandosecargueperidicamente.La potenciadelabateraseutilizaparailuminar,estopuedereducirelgastoenbaterasde queroseno y bateras secas, que se estima en ms de 5 dlares al mes. Adems, las bateras actualmente se estropean por descargas muy fuertes, y esto las deja inservibles ms rpido que si fueran cargadas por un aerogenerador. [8] Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 25 Lasbaterassepuedencargarcercadelacasa,ahorrandotiempoydinero:EnSri Lanka ms de la mitad de las casas utilizaban bateras de automvil para dar potencia a radios y televisores. Recargar implica un coste econmico y un viaje de 6 km dos veces al mes. [8] Laenergaelicarespetaelmedioambiente:Aunqueseutilizaenergaenla construccindeunaerogenerador,unavezestnfuncionando,noconsumecombustibles fsiles y por tanto no emite gases de efecto invernadero. Debido a que la electricidad producida para iluminar descarta el uso de queroseno, el ambiente de la casa mejora. El ruido producido a lasbajasvelocidadesdegiroesmuypequeoymuchsimomenorqueelproducidopor generadoresdiesel.Elimpactosonoroyvisualdelsistemadescritonohacausado preocupacin en ninguna de las instalaciones probadas. [8] La energa elica es ms barata que sus alternativas: Donde el recurso elico es bueno, laenergaproducidamedianteaerogeneradoresesmsbarataqueutilizandogeneradores diesel o fotovoltaicos, particularmente si el sumistro de combustible est lejos del usuario. Si el sitioestlocalizadocercadeunrooriachuelo,lapotenciahidrulicadeberaestudiarse primero,yaqueestapuedesermscompetitiva.Laelectricidad(dered),siestdisponible, ser lo ms barato de todo. En reas remotas, sin embargo, el coste de la conexin a la red es tan elevado, que excede mucho de los sistemas que utilizan bateras (solares o elicas). [8] Puede ser una opcin an ms atractiva: La potencia de la batera puede ser un paso intermedioantesdelaconexinalared,yaquemedianteelusodeinversoresseconsigue corrientealternaquevaapararalosdiferentesconexionesyaparatosdelacasaqueenun futuro sin ser modificados sirven para la conexin a la red. Por otro lado, se puede compartir un aerogenerador grande (pero de baja potencia) por 2 o 3 casas facilitando la inversin inicial que se comparte, al igual que el mantenimiento. Adems las mquinas de manufactura local pueden mantenersefcilmente,aportanempleolocal,resultanmsbaratasyseadaptanmejoralas condiciones locales de diseo. [8] Desventajas La importancia del rgimen de viento: El factor ms importante en el xito o fracaso de cualquier instalacin elica es la fuerza y naturaleza del viento. Pg. 26Memoria Costeinicial:Paraponerelgeneradorylaspalasenlatrayectoriadelviento,el aerogenerador necesita ser colocado en el extremo superior de una torre, que requiere tiempo preparar y levantar. Finalmente, ser necesario alojar las bateras y el circuito de control en un edificio a prueba de la intemperie. [8] Mala reputacin de los aerogeneradores: Agencias de ayuda en el pasado han puesto a punto prototipos inapropiados, que importaban la tecnologa del pas donante. Quiz no se han comprendidocorrectamentelospuntosfuertesydbilesdelosaerogeneradoresyesposible que haya sido demasiado difcil de resolver la tecnologa unifamiliar. Otra causa de la engaosa mala fama es la carencia en muchos casos de datos disponibles del viento ms concretos para cada poblacin (no se puede generalizar con los datos de un pas). [8] 2.3.2.Ejemplos de uso del aerogenerador de baja potencia Losaerogeneradoresquesetratanhansidodiseadosparahogaresfamiliaresen zonas de vientos moderados sin acceso a la red elctrica. Pensados para construccin local, y ser lo ms baratos posible. La peculiaridad principal del aerogenerador de ITDG, el IT-100 esquefuncionaconungeneradordeimanespermanentesoPermanentMagnet Generator (PMG). Foto2.1.UtilizacindeunaerogeneradordebajapotenciaenunacasaruralenZimbabwe. (Hugh Piggott) [8] Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 27 Foto 2.2: Fluorescente potenciado por viento utilizado como luz exterior en Sri Lanka, para mantener alejados a los elefantes de la casa y los cultivos (Simon Dunnett).[8] Acontinuacinsemuestralaproduccinaproximadamensualparavariostamaos de generadores (PMG) en varias localizaciones. Velocidad media del viento (m/s) 34 56 261020 10255070 2060100160 40100200280 Dimetro del Rotor (m) 1 2 3 4 5 60160300430 Tabla 2.4. Produccin aproximada de energa mensual (kWh) para varios tamaos de aerogeneradores en varias localizaciones diferentes. [8] Partiendodemaneraaproximada,yparadarunaideageneraldelosnivelesde suministrodeunaerogeneradordebajapotencia,sepuedeaceptarlatablaanteriorcomo primera aproximacin que sirve para poder comparar la generacin de energa con los ejemplos reales de demandas de energa de varias casas que se muestran seguidamente. LosejemplosdescribenlasnecesidadesenergticasencasasdeunpueblodeSri Lanka. Estos son clculos aproximados, as que es apropiado abarcar todos los datos. Pg. 28Memoria AparatoPotencia nominal (W) nmeroHoras de uso diario Demanda energtica diaria (Wh) Demanda mensual (kWh) Fluorescente20342407.2 TV sin color30141203.6 Radio-cassette1015501.5 Energatotal requerida 41012.3 Energatotalcon prdidasenbatera (+25%) 512.515.4 Mximapotencia requerida 100 Potenciamedia requerida(Wh totales/24h) 21 Tabla 2.5. Ejemplo 1, de la demanda elctrica en una casa en Sri Lanka. [8] La potencia mxima demandada puede ser de ayuda en la eleccin de los cables, o el inversor, para conocer el pico de demanda. Finalmentelapotenciamediasepuedeencontrardividiendolaenergapordapor24 horas al da. La potencia media da una idea ms significativa del tamao del sistema de lo que lo hacen los nmeros de energa diarios. Las demandas de potencia no darn exactamente el suministro en un momento dado. Elusodebaterasefectivamentesolucionaeste problema, y permite al usuario coger energa cuando el viento es ligero o no hay, y guardar energa cuando el viento es fuerte. As mientras la potencia media que entra en la batera sea la misma que la potencia media que sale durante un periodo de unas pocas horas (o tanto tiempo como permita la capacidad de las bateras) la casa no debera acabarse la electricidad, incluso si ellos usan ms potencia que la media por un rato. Estosignificaqueelgeneradorsolonecesita,comomedia,producirelrequerimientode potenciamediamsqueunapotenciadepico.Enrealidadnecesitarproduciralgomsde potencia que la media demandada ya que se producen prdidas de energa en el sistema. Otros ejemplos reales son los siguientes: AparatoPotencia nominal (W) nmeroHoras de uso diario Demanda energtica diaria (Wh) Demanda mensual (kWh) Fluorescente20342407.2 TV sin color3011300.9 Radio-cassette10251003 Energa total requerida37011.1 Energatotalcon prdidasenbatera (+25%) 462.513,875 Energatotalcon prdidasinversor (+10%) 508,7515,263 Mximapotencia requerida 110 Potenciamedia requerida(Wh totales/24h) 21 Tabla 2.6. Ejemplo 2, de la demanda elctrica en una casa en Sri Lanka. [8] Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 29 AparatoPotencianominal (W) nmeroHoras de uso diario Demanda energtica diaria (Wh) Demanda mensual (kWh) Fluorescente20342407.2 TV sin color3011300.9 Radio-cassette10251003 Mantequera C.A. (2 horas por semana) 20010.25501.5 Energa total requerida42012.6 Energatotalcon prdidasenbatera (+25%) 52515.75 Energatotalcon prdidasinversor (+10%) 577.517,325 Mximapotencia requerida 310 Potenciamedia requerida(Wh totales/24h) 24 Tabla 2.7. Ejemplo 3, de la demanda elctrica en una casa en Sri Lanka. [8] AparatoPotencia nominal (W) nmeroHoras de uso diario Demanda energtica diaria (Wh) Demanda mensual (kWh) Fluorescente20342407.2 Radio-cassette1015501.5 Energa total requerida2908.7 Energatotalcon prdidasenbatera (+25%) 362.510,875 Energatotalcon prdidasinversor (+10%) 398,7511,963 Mximapotencia requerida 70 Potenciamedia requerida(Wh totales/24h) 17 Tabla 2.9. Ejemplo 4, de la demanda elctrica en una casa en Sri Lanka. [8] As pues, conociendo las necesidades de cada hogar y la disponibilidad elica en cada localizacin,sepuedeestimareltipodeaerogeneradorquesernecesarioparacubrirestas necesidades. Pg. 30Memoria Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 31 3.DESCRIPCIN DEL AEROGENERADOR El tipo de aerogenerador que se trata en este proyecto ha sido diseado para hogares familiaresenzonasdevientosmoderadossinaccesoalaredelctrica.Estpensadopara construccinlocal,yhasidodiseadoparaserlomsbaratoposible.Losrasgosbsicos (mostradosenlaFig.3.1)soncomunesamuchospequeosaerogeneradores,perohay algunas ideas originales en el diseo de ITDG. En el anexo F se adjunta un manual detallado de construccin del aerogenerador que se describe en este captulo. El aparato elico se compone de: el generador, el rotor elico (las palas), la montura del aerogenerador y la cola (formando ambos el mecanismo de cola de veleta) y la estructura que soporte el esfuerzo del peso de todo el conjunto y el momento flector derivado del empuje del viento sobre las palas. Fig. 3.1. Partes de un aerogenerador de baja potencia de imanes permanentes Pg. 32Memoria 3.1.El generador de imanes permanentes (PMG) Elgenerador de ITDG se muestra desensamblado en la Fig. 3.2: Fig. 3.2. El pequeo generador PMG de ITDG. [6] Losdosdiscosdelrotorestnmontadossobreunejedecojinetesgraciasaunbuje, para que puedan rotar sobre el eje. Los rotores magnticos estn conducidos directamente por laspalasdelaerogenerador.CasicadapequeoaerogeneradordelmercadoutilizaunPMG (PermanentMagnetGenerator).Estndiseadosespecialmenteconelpropsitodeextraer potenciadelgirolentodelaspalasconlamejoreficiencia,elmnimocosteylamnima complejidad. Entrelosdosdiscosdelrotorhayunestator,encastadoconresinaplstica,que contienelasbobinasdealambredecobre.MuchosotrosPMGsutilizanncleodeacero laminadoparaelestator.ElPMGdeITDGseconstruyeutilizandoenloposible,materiales disponibles propios. Se puede construir en un modesto taller que tenga el equipo de ingeniera bsico con las herramientas que se enumeran en el Anexo D. La electricidad se genera por el giro de los imanes de los discos magnticos al girar a un y otro lado de las bobinas encastadas en el estator. El campo magntico induce tensin en las bobinas, tensin que ha de permitir alimentar una batera. A velocidades de giro bajas la tensin es insuficiente para cargar la batera, pero cuandosealcanzaunciertoumbralenlavelocidaddelviento,seestableceunacorriente elctrica que permitir la carga de la batera. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 33 Elgenerador produce corriente alterna AC, las bobinas estn dispuestas en tres fases parahacermseficienteelusodelespaciodisponibleyque,alasalidadelrectificadorla tensindelacorrientecontinuasealomslisaposible.Acontinuacinsedescribenms detalladamente la composicin y funcionalidad de cada elemento componente del generador. 3.1.1.Estator El estator en s mismo consiste en un elemento circular slido (ver Fig.3.2) que contiene seis bobinas equidistantes en su interior. Es fruto de un encastamiento de resina con catalizador y talco, en moldes de madera. Para reforzar el encastamiento, el estator contiene incrustadas tiras rectangulares y circulares de fibra de vidrio en la resina, de manera que la fibra de vidrio con resina en su interior, rodea al encastamiento de bobinas. El posicionamiento de las bobinas, queda determinado por la propia forma del estator. El estator tiene forma de anillo, de tal modo que todas las bobinas distan de su centro al centro del estator unos 125 mm. Las bobinas Cadaunadelasbobinasconsisteenunenrolladode100vueltasdehilodecobre esmaltadodedimetro1,5mm,dedimensiones110x110mm(formaaproximadade cuadrado), un agujero cuadrado interior de 50 x 50 mm y un espesor de 13 mm. Es importante que sea cobre con capa de esmalte que asle cada espira (vuelta) de la bobina y el fenmeno de induccin magntica sea ptimo. Losextremosdelasbobinasvansoldadosa12cablesdecobredelmismodimetro que sobresalen del encastamiento del estator para realizar la conexin elctrica deseada de las bobinas. 3.1.2.Rotores magnticos Elrotor(cualquieradelosdos)delaerogeneradorconsistefundamentalmenteenun disco de acero al que se le pegan 8 imanes de Neodimio (NdFeB) equidistantes, encargados de crear la variacin de campo magntico al girar solidarios al rotor (ver Fig. 3.3). Para que el disco y los imanes formen una sola estructura, se crea un encastamiento de resina que pegue y a la vezcontengaalosimaneseneldiscodeaceroyfinalmenteserefuerzaesteencastamiento con tiras de fibra de vidrio en el interior y con alambre de acero inoxidable alrededor para evitar que se desenganchen los imanes debido a la fuerza centrfuga que tendrn que soportar. Pg. 34Memoria Losdosrotoressediferencianenlacolocacindelosimanescomoseverms adelante,quitando esta excepcin, son exactamente iguales. El disco de acero Cada rotor magntico est constituido por un disco de acero de 305 mm de dimetro, de 6mmdegrosor,yunagujerocentralde65mmdedimetro.Esimportanteelhechodeque ste disco, encargado de sujetar los imanes, no est hecho de aluminio o acero inoxidable sino de acero normal (material magntico). Los imanes Los8imanesobloquesmagnticosquellevacadarotor,sonbloquesdeNeodimio (NdFeB) premagnetizados, de 50x50x20 mm, y van colocados planos sobre el disco de acero. Cada imn tiene un polo norte y un polo sur. La polaridad de un imn est distribuida tal como se indica en la Fig. 3.3 Y en cada disco magntico est distribuida de manera diferente. Colocacin de los imanes: Fig. 3.3. Los dos rotores son diferentes. [6] El alambre de acero inoxidable Lafuerzacentrfugadebidaalgirodelgeneradorpuedeexpulsarlosimanesdel encastamiento. Tal como se indica en el manual de construccin del generador, la resina (que no es suficiente para sostener los imanes) se refuerza con alambre, que se enrolla alrededor del exterior de los rotores magnticos para sujetar los imanes dentro del encastamiento. Para evitar fugas magnticas se utiliza acero inoxidable. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 35 3.1.3.El buje Paralasujecindelgeneradoralaestructuraprincipal,ymantenerelmovimientode rotacin, se utiliza un buje de coche. Este proyecto, se harealizado con el buje del eje trasero deunSEATIbiza,portantoeldiseodelosagujerosdelrotorydeloselementosde ensamblaje del conjunto (tuercas, tornillos, varilla roscada) se han tenido en cuenta a partir de conocer el buje. Unparmetroimportantedeestebujeesqueensucollarntenga4agujerosde dimetro 10mm equidistantes sobre un dimetro de 102mm (ver la Fig. 3.4). Fig. 3.4. Dimensiones caractersticas de un buje de la rueda de un SEAT Ibiza.Elbujeencajasobreelejepormediodedoscojinetescnicosquevienenya incorporados, uno ms grande en la parte inferior del eje y otro menor en la parte superior, que permiten el movimiento libre de giro del buje con los rotores incorporados sobre el eje. Ademsdedisponerdeestoscojinetes,elbuje tambin incorpora: el propio eje y una tuercaM15,unacupilla que sirve de pasador de cierre y un guardapolvo para no dejar entrar suciedad a los cojinetes. Pg. 36Memoria 3.1.4.El eje ElejedelGenerador,esunelementofundamentaldelconjuntodelgeneradoryaque sobre el eje va montado el buje y sobre ste los dos rotores. El eje es la pieza de acero que se observa en la Fig. 3.5. Estapiezaseajustaalamonturadelbujepermitiendoquestaseaelsoportedel generador y a la vez permita el giro del buje (con los rotores) montado al eje sobre cojinetes que permiten el giro del buje. Nohacefaltaconstruireleje,yaquevieneincorporadoalbuje,demaneraqueal disponerdeunbujedeSEATIbiza,yasedisponedesuejecorrespondientedeacero, perfectamente conformado como se observa en la siguiente figura: Fig. 3.5: Eje de un buje de SEAT Ibiza. 3.1.5.El montaje elctrico Esfundamentalunsoporteelctricoparaelfuncionamientodelaerogenerador.Cmo ya se ha comentado, el funcionamiento del aerogenerador consiste en que la fuerza del viento hace girar la turbina elica (las palas) que al estar montada solidaria a los discos del rotor, los hacegirar.Algirarlosrotores,cmostoscontienenimanes,loqueseconsigueesqueel campomagnticoquehacenlosimanes,vare.Lavariacindecampomagnticoinduce corrientealternaenlasbobinasdelestatorqueestenmediodelavariacindecampo magntico. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 37 Paraaprovecharlainduccindecorrienteproducidaenelestator,lgicamenteson necesariosunaseriedeelementoselctricosquehaganquelacorrienteinducidaenlas bobinasseatransportada,transformadaycontroladademaneracorrecta.Estoselementos elctricosvanconectadosalasalidadelestatorsobreundisipadordecalorqueseatornilla sobrelamonturadelaerogenerador.Aspues,enesteapartadodelmanualsedescribenlos elementos elctricos y tambin las conexiones a realizar para que funcione el sistema. Elementos elctricos El rectificador trifsico necesario para pasar de corriente alterna trifsica que se obtiene en la salida del cableado de las bobinas del estator a corriente continua que se desea tener en laentradadelabateraqueseconecte,estformadoenestecasopordosrectificadoresde puente monofsicos de 30 A, 400 V que se conectan a las bobinas de tal modo (como se indica en el montaje elctrico del Anexo F) que equivalen a un solo rectificador trifsico. Foto 3.1: Dos rectificadores monofsicos de puente. [6] Ambosrectificadoresvanmontadosgraciasaunatuercayuntornilloencada rectificador, sobre un Disipador de Calor que como su propio nombre indica disipa el calor que se genera como prdidas de potencia por efecto Joule en stos. Fig. 3.6. Disipador de calor de aluminio. Pg. 38Memoria Lasconexionesentrelasbobinas,lasconexionesdestasalosrectificadoresylas conexionesdelosrectificadoresalabatera,sellevanacaboenrollandoextremosdecable flexibleunipolarde1,5mmdedimetro,tomandocomoelementosdeuninlosbloques conectores de una regleta estndar. Conexin de las bobinas a los rectificadores Paralaconexindefinitivadelgeneradorhayquetenerencuentavariasopciones. Parabajasvelocidadesdelvientoesideallaconexindelasbobinasenestrellaypara velocidadeselevadasdelvientoyportantomscorrientedesalidaesnecesarioconectar las bobinas en tringulo. No obstante, la conexin concreta que se realiza es la siguiente: Conexin Doble-Estrella Laconexinentrelas6bobinasquesetieneencuentaenelaerogeneradordeeste proyectoeslaconexinDoble-Estrella.Aspuesestnconectadaslasbobinasenfaseen paralelo entre ellas y en estrella las parejas, tal y como se muestra en la Fig. 3.7. Fig. 3.7. Esquema elctrico de la conexin en doble-estrella de las bobinas. Las 3 fases existentes son: bobinas 1 y 4 en fase, bobinas 2 y 5 en fase, y bobinas 3 y 6 en fase. La explicacin es geomtrica y se debe a que las bobinas opuestas sufren variaciones de campo magntico iguales en el tiempo. As pues en esta conexin se tiene que la bobina 1 est conectada en paralelo con la 4, la2enparaleloconla5,la3enparaleloconla6,yestastresramasqueseobtienense conectan en estrella a los 2 rectificadores. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 39 Otras posibles conexiones Conexin en estrella La conexin en estrella simple, es aconsejable cuando se tengan velocidades del viento bajas que hagan girar el generador hasta velocidades no superiores a 250 rpm. Las bobinas en faseseconectanenserieentreellas.Esdecir,seconectalabobina1enserieconla4,la bobina 2 en serie con la 5 y la bobina 3 en serie con la 6, y seguidamente se conectan las tres ramas en estrella a los rectificadores. Conexin en tringulo La conexin en tringulo es aconsejable cuando se tengan velocidades del viento altas que hagan girar el generador como mnimo a velocidades superiores a 250 rpm. De igual modo quesucedeconlaconexinenestrellasimple,seconectanlasbobinasenfaseenserieen parejas y las 3 ramas que se obtienen se conectan en triangulo obteniendo 3 tensiones que se conectan a los rectificadores. Rel para intercambiar entre estrella y tringulo Tambinesposibleinstalarunrelqueseencargardecambiarlasconexionesde estrellasimpleatringuloyalrevscomosequieraencadamomento.Pararealizaresta conexin hace falta adems un rel 3pole c/o (3P2T) y un interruptor. Se conectan las bobinas enfaseenserietalycomosucedeenlaconexinenestrellasimpleyenlaconexindelas bobinas en tringulo, y sobre el rel se realizan las conexiones indicadas en la Fig. 3.8: Fig. 3.8. Uso de un rel para cambiar entre estrella y tringulo. [6] Pg. 40Memoria 3.2.El rotor elico 3.2.1.Introduccin Losrotoresmodernosdeaerogeneradoresgeneralmentetienendosotrespalas.Un gran nmero de palas crear ms fuerza de giro, pero no sera capaz de hacer girar el PMG lo suficientementerpidoparagenerarlatensinrequerida,porquegiraramslento.Laspalas delrotoryelPMGestndiseadosmuycuidadosamenteparacombinarlavelocidadyla potencia, para extraer el mximo de energa del viento. [6] Foto 3.2. Turbina elica de 1,7 m de dimetro, de 3 palas. [8] Si el PMG no est conectado a una batera o a otra carga elctrica, entonces las palas sesobreacelerarn.Lamquinaempezarahacerruidosypuedequevibretantoquelas partesseseparenycaiganalsuelo.Paraevitarestetipodeproblema,sonimportanteslos siguientes aspectos: -Mantener conectado el aerogenerador a una carga siempre. -Elaerogeneradordebetenerunsistemadeorientacin(oviraje)paravientos elevados. -Las palas deben estar precisamente equilibradas para que funcionen con suavidad. Dos posibles diseos para el rotor elico Enesteapartadosemuestranlosdosdiseosderotorelicomsutilizadospara este tipo de aerogeneradores. El perfil NACA 4412 usado en Per por Teodoro Snchez y el perfilK2utilizadoenSriLankaporSunithFernando.Paratenerunaprimeraideadela seccin de los perfiles, se muestra la siguiente figura: Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 41 Fig. 3.9. Perfiles de palas [7] Las caractersticas que diferencian y determinan el diseo de un rotor elico son: Pas de OrigenPerSri Lanka DiseadorTeodoro SnchezSunith Fernando Perfil de la palaNACA 4412K2 Dimetro1.7 metros2.0 metros Ratio mximo de velocidad exterior (0)56 Nmero de palas32 Tabla 3.1. Caractersticas de las palas [7] Seccin: Es la formade la pala en la seccin representativa (corte a 90 grados). La pala deseccinNACA4412estpensadaparahacersecondoslminasdefibradevidrio espaciadas. La pala de perfil K2 puede ser fibra de vidrio con resina. Dimetro: Cuanto ms largas sean las palas, mayor superficie de contacto con el viento, y por lo tanto se producir mayor potencia con la misma velocidad del viento. Ratiodevelocidadexterior():Eslavelocidadalaquevaelextremodelapalaen comparacin a la velocidad del viento. La velocidad de giro del eje del generador (velocidad del conjuntorotor),dependerdelratiodevelocidadydeldimetro,demaneraquesepuede calcular como el producto de la velocidad del viento por el ratio de velocidad exterior dividido por el dimetro del rotor elico. Acontinuacinsemuestraungrficodndeseobservaunacomparativadela potencia frente a la velocidad de giro del generador, para los dos casos de rotor propuestos. Setienenencuenta,tantopotenciasnecesariasparahacergiraradeterminadas velocidades, cmo las potencias que ofrecen cada rotor elico. Pg. 42Memoria Grfico 3.1. Potencia frente a velocidad de giro del generador. [7] CadarotorestdiseadocuidadosamenteparatrabajarcorrectamenteconelGenerador de Imanes Permanentes (PMG) usado en cada pas. El PMG usado en Per tiene unosimanesmsgruesosyunaformadistintadeconectarlasbobinas.Esdecir,quelos aerogeneradores de Per y Sri Lanka, no slo se diferencian en el perfil de las palas, si no en el diseo de sus respectivos generadores. El grfico muestra cunta potencia se necesita para hacer girar los generadores en Sri Lanka(lneadiscontinua)yenPer(doscurvasparadosconexiones).Elrotorde2palas (violeta)diseadoenSriLankaproduceexactamentelapotenciarequeridaporelgenerador utilizadoenSriLanka.Elrotorde3palas(azul)dePerestdiseadoparacompaginar (adaptar) los dos casos diferentes para el generador de Per: conectado en estrella y conectado en tringulo. A velocidades del viento de 5m/s, los rotores elicos producirn 80 y 60 W de potencia mecnica respectivamente para unas velocidades de giro de 286 y 280 rpmrespectivamente. Estepuntoestmarcadoencadacurva.Lavelocidaddelrotorelico depende de cmo este cargado. Si el PMG est desconectado de la batera, el rotor estar descargado y girar mucho msrpido.Hayqueintentarevitarquegireelrotordescargado,porqueesruidosoy estresante. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 43 3.2.2.Rotor elico del IT-100 ElrotorelicoqueseacoplaraestegeneradorsereldiseadoporTeodoro Snchez en Per. Es decir que el rotor elico tendr las siguientes caractersticas: Pala Perfil:NACA 4412 Longitud:0,7 m Cuerda punta:0,0685 m Cuerda base:0,1679 m Peso (una pala):0,78 kg Material:Madera de Pino Rotor elico Nmero de palas:3 Dimetro rotor: 1,7 m rea:2,27 m2 Direccin de rotacin:sentido horario Orientacin:barlovento La cuerda, como se comenta ms adelante es la distancia en una seccin determinada delapala,quehaydesdeunextremoalotro.Lacolocacindelaspalasestal,quela orientacinesabarloventoyelsentidoderotacineshorario(ambosaspectossepueden observar ms claramente en el manual del Anexo F). Caberesaltar,queelmanualdelAnexoFcontemplalaconstruccindelaspalas definitivas de madera. Pero en el Anexo C se describe cmo continuar el proceso completo si sedeseanconstruirmsaerogeneradoresenseriedestetipo,aprovechandolaspalasde madera como patrones para construir moldes, y con stos, construir palas de resina y fibra de vidrio. 3.2.3.Las palas Dimensiones caractersticas del perfil de la pala Lasdimensionescaractersticasdeunapalaestndefinidassegnestaciones.Cada estacinconstituyeunaseccintransversaldelapala(verFig.3.10.),yllevaasociadaun nmero (nmero de la estacin). As se consigue caracterizar una pala slo con determinar las dimensiones caractersticas de un nmero acotado de estaciones (secciones): Pg. 44Memoria El radio local, el cual es la distancia de la estacin al centro del rotor. Laanchuradecuerda,queeslaanchuradelapaladeunextremoalotroenuna estacin determinada. La lnea de cuerda es la lnea ms larga dentro de la seccin de la pala, y es la que une el borde principal o de ataque con el borde posterior o de fuga. El ngulo de la pala (beta), que es el ngulo entre la lnea de cuerda de una estacin determinada y el plano sobre el que gira el rotor. Fig. 3.10.Parmetros caractersticos de la pala. [7] Por ltimo hay que decir, que el extremo de la pala ms prximo al centro del rotor en la raz,laformadelapaladebecambiarconsuavidaddeseccindeunaalaaunaformaque permita el ensamblaje sobre el rotor del generador. Esto se ver posteriormente. El extremo raz El extremo raz es idntico en cada pala y es necesario para ajustar cada pala al rotor del generador. Es por eso que las palas tienen dos partes, una primera que es perfil de ala de la palaqueeslapartequecaptalaenergaelica,yunasegundaparteenelextremogrueso donde se produce una suave transicin entre el final del perfil de ala hacia la forma del extremo raz. Este extremo raz, no incluido en la longitud de la pala, consiste en un bloque de madera (extremo de la misma pieza que el resto de la pala) que tiene las dimensiones indicadas: Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 45 Fig. 3.11. Extremo raz de una pala. [7], elaboracin propia. Resistencia de las palas Es posible calcular si las tensiones en la superficie de la madera son seguras o no. Se necesita tener un margen de seguridadpara tener en cuenta eventos inesperados y la propia fatiga. Losprincipalesesfuerzosenlaspalasdeunapequeaturbinaelicasepresentan comofuerzascentrfugas.Lafuerzacentrfugaenlaspalas,cuandostasestngirandoa velocidad mxima (aproximadamente 500 rpm) ser aproximadamente 100 veces el peso de lapala.Silapalapesa078kg,entonces,lafuerzacentrfugaestarsobre0,8kN (equivalente a 80 kg de peso) a esta velocidad. A 1000 rpm la fuerza ser equivalente a 320 kg.Estavelocidadpodrapresentarsesielsistemadegirodelacolanotrabaja correctamente. [7] Estosesfuerzosdebidosalafuerzacentrfugasuponenalapalaunesfuerzode traccin axial que en el caso ms desfavorable de 1000 rpm supone un esfuerzo de 3136 N (320kp),portantolaseccinmediadelapala(quesededuceobservandolosclculos realizadosenelsubapartadoG.1.2delAnexoG.,esde11,575cm2)soportatensionesde 2,7 MPa, un valor aproximadamente la mitad de la tensin que soporta la madera de pino a traccin axial (entre 5 y 6 MPa). El viento realiza una fuerza de empuje en cada pala, de 50-100N (5-10 kg) [7]. La fuerza deempujesuponeunesfuerzodeflexinsobrelapala,demaneraquelatensinquese alcanzateniendoencuentalaseccinmediadelapalaserde0,09MPamientrasquela tensin de flexin paralela que puede soportar la madera de pino es del orden de 9 MPa. Pg. 46Memoria 3.2.4.Los discos del rotor Laspalasnovanensambladasdirectamentesobrelapartefrontaldelrotorde imanes, porque las fuerzas de inercia de las palas crearan tensin en el rotor de imanes y haranquelosimanesgolpearanalestator.Paraevitaresto,seensamblanlaspalasal generador con la ayuda de 2 discos de madera que hacen un sndwich con las palas. Fig. 3.12. Uno de los discos del rotor elico. Losdosdiscosconteniendolas3palasajustadasaellosa120cadapala(verFig. 3.13), se ajustan directamente sobre los Clavos del Rotor que sobresalen por la parte frontal del rotor frontal. Fig. 3.13. Posicin de las palas sobre un disco del rotor elico. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 47 3.3.La montura del aerogenerador Lamonturadelaerogeneradoresunapiezadeacerosobrelacualvamontadoel generadorconelrotorelicoincluidoporunlado,quedandofijadoelestatorypermitiendoel girodelosrotores.Porotrolado,lamonturatienelaparteinteriordelabisagradecolaque forma parte del mecanismo de orientacin y viraje del aerogenerador; sobre esta parte interior de la bisagra de cola que es un saliente de la montura, va montada la cola del aerogenerador con la veleta. La veleta es la encargada de llevar a cabo el sistema de proteccin de sobre-velocidad. Elmecanismoempleadoserunmecanismodevirajetantodelgeneradorcomobloque solidarioalamonturadeste,comodevirajedelacola;funcionaaprovechandoelequilibrio entre la fuerza de empuje del viento (por un lado sobre las palas y por otro sobre la veleta de la cola) y la fuerza de la gravedad que supone el peso de la cola. Lamonturadelaerogeneradorcomprendevarioselementos(verFig.3.14).Estos elementos son: la montura del buje, los soportes del estator, el tubo de viraje (con su tapa) y la parte interna de la bisagra de la cola. Fig. 3.14. Montura del aerogenerador. [9], elaboracin propia. Todosestoselementosqueformanlamonturavansoldados.Lamonturadelbuje llevasoldadosensusextremoslossoportesdelestator.Ademseltubodevirajelleva soldada la parte interior de la bisagra de cola y estos dos elementos (tubo y bisagra interna) vansoldadosenunextremodelamonturadelbujeconsiguiendounanicapiezaslida preparada para encajar todos los elementos comentados en el primer prrafo.Pg. 48Memoria 3.3.1.Montura del buje La montura del buje es la pieza formada por dos ngulos de acero (100 mm de longitud y una ala de 50x50 mm y 6 mm de espesor) que van soldados formando un bloque donde se ajusta el eje atornillado en los agujeros de la Fig. 3.15: Fig. 3.15. Montura del buje, como unin de dos ngulos. [9], elaboracin propia. Al ir soldado en un extremo el tubo de viraje tiene unos cortes circulares (ver Fig. 3.16). Fig. 3.16. Forma final de la montura del buje. [9], elaboracin propia. Pero como se observa, los cortes no estn hechos a la misma distancia, consiguiendo conloscortesquealmontarlamonturadelbujeconeltubodevirajevertical,seconsiga obtener el ngulo de 4 grados (ver Fig. 3.17) de inclinacin de la montura del buje respecto la vertical para dejar un mayor margen entre los extremos de las palas y la torre. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 49 Fig. 3.17. Unin con ngulo de la montura del buje al tubo de viraje con la bisagra ya incluida. [9], elaboracin propia. 3.3.2.Soportes del estator Lossoportesdelestatorsondospiezasdeaceroconformadengulo(igualquelas piezas anteriores pero difiriendo la longitud). Se trata de dos piezas de 100 mm de longitud, un espesor de 6 mm y un ala de 50 x 50 mm. Estos soportes van soldados a la montura del buje (ver Fig. 3.14) y su funcin es hacer de soportes del estator, de manera que estos soportes disponen de agujeros para que pasen a travs de ellos los clavos del estator y se ajuste ste a la montura del aerogenerador. 3.3.3.Tubo de viraje El tubo de viraje es la pieza central del aerogenerador, ya que se encaja sobre la torre, y aguantaporunladotodalamonturadelbujeconelgeneradorylaspalas,yporotrolado aguanta la bisagra interior de la cola y toda la cola con la veleta. Consiste en una pieza tubular de 300 mm de longitud con un dimetro exterior de 60,3 mm y un espesor de 3 mm. Eltubodevirajellevaincorporadaunatapaquetienecomofuncinevitarqueentre suciedadenelinteriordeltubodeviraje,yportantoenelinteriordelatorreyademspara guiar el cableado que viene del generador hacia el interior del tubo y por tanto hacia el interior de la torre que sirve de gua del cableado hasta el suelo. Pg. 50Memoria 3.3.4.Parte interna de la bisagra de la cola La bisagra de la cola, como se comenta en la lista de materiales, sirve como elemento deunindelaerogenerador(yaquelabisagrasesueldaaltubodeviraje)conlacoladela veleta. La parte interna de esta bisagra est formada por la unin por soldadura de dos piezas obteniendo la pieza mostrada en la Fig. 3.18. Fig. 3.18. Parte interna de la bisagra de la cola. [9], elaboracin propia. 3.4.Cola del aerogenerador Lacoladeveletaseusaparaencararlamquinaenelviento.Formapartedeun mecanismo que hace girar el generador y las palas fuera de toda la fuerza del viento, girando todalamquinasobreuncojinete(quenoesotracosaqueeltubodeviraje)enelextremo superiordelatorre.Unmecanismosimpleenlacoladeveleta(bisagradelacola) aprovechandolagravedadmantieneelgeneradorylaspalasencarandoalvientocuandoel viento es moderado, pero se gira de lado con vientos muy fuertes. El sistema es esencial para protegerlaspalasdesobreaceleracionesyelPMGdeestropearse.Hayvariosmecanismos similares que pueden utilizarse para orientar la mquina de este modo. 3.4.1.Cola Lacolasecomponefundamentalmentededospiezastubularessoldadas(verFig. 3.19). La primera de ellas es el tubo exterior de la bisagra de la cola, y encaja con libertad de giro sobre el tubo interior de la bisagra.La segunda es la botavara del aerogenerador. Tiene un corte en un extremo para ir soldado correctamente a la parte exterior de la bisagra y un corte en el otro extremo para ir soldado a una pequea barra de acero que sujete la veleta. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 51 Fig. 3.19. Unin de la botavara al tubo exterior de la bisagra. [9], elaboracin propia. 3.4.2.Veleta La veleta, consiste en una pieza de madera contrachapada de 10 mm de grosor con la formamostradaenlaFig.3.20queseasemejaauntrapecioregular.Vamontadasobrela botavara con tres tornillos, uno de ellos directamente une la veleta a la botavara y los otros dos unen la veleta a una pequea barra de acero que va soldada al extremo preparado para ello de la botavara. Fig. 3.20. Forma de la veleta y posicin de los agujeros. [9], elaboracin propia. Elvientoactasobresusuperficieconsiguiendoqueestsiempreprcticamente orientada en la direccin del viento. Pg. 52Memoria 3.5.La estructura (torre) Eldiseoescogidohasidoeldetorretubularcontensoresabatible,noslopor cuestionesestticassinotambinporlasventajasquereportaentemasdeseguridady facilidad de montaje. El sistema de torre para miniturbinas ofrece el mejor compromiso entre el precio,lafiabilidadylafacilidaddeinstalacin.Elsistemasebasaenunatorreflotantey tornillos de anclaje, no siendo necesario excavaciones ni bases de hormign. Cada sistema de torre incluye los cables, los tornillos de anclaje y la barra de izaje (la torre propiamente dicha). Fig. 3.21. Torre con cables y tensores. [8] La torre eleva al generador, las palas y la cola de veleta a una altura donde el viento es ms fuerte y tranquilo que a nivel del suelo. La torre de este aerogenerador mide 6 m de alto, tiene un dimetro exterior de 54 mm y un espesor de 4 mm. La altura es la necesaria para estar porencimadetodoslosobstculosdelosalrededores.Losrbolesyedificiosafectarnal vientoaunaalturacasieldoblequelapropia(derbolesyedificios),peroconsideraciones prcticas como el coste, la seguridad y el mantenimiento limitan la altura. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 53 Fig. 3.22. Elevacin de una torre. [8] Lastorresmssimples,comoesnuestrocaso,sondetuberasdeacero,puestas verticalmente por dos o tres cuerdas tirantes. Los tirantes son anclados en el suelo firmemente, perolabasedelatorreesgeneralmentedebisagraparapermitirbajarelgeneradorpara mantenimiento o reparacin. Foto 3.3. Levantado de una torre con palos y cuerdas en Per. [8] 3.6.Ensamblaje del conjunto mecnico Para poder comprender el ensamblaje, se recomienda recordar la Fig. 3.2. Se puede observar ms fcilmente como los dos rotores van ajustados al buje para girarsolidariosaeste.Elbujeconlosrotoresesunconjuntoqueirencajadoeneleje, permitindose el giro de este conjunto (rotores y buje). Mientras que el estator va atornillado alamonturadelaerogeneradorsobrelossoportesdelestatoryduranteelfuncionamiento del generador se mantiene solidario a toda la montura del aerogenerador. Pg. 54Memoria Lamaneradequeelestatorseencuentreentrelosrotoresmagnticos,noesotra que montar en primer lugar el rotor posterior sobre el collarn del buje a travs de los clavos del rotor, a continuacin el estator sobre sus soportes en la montura y pasando sin tocar su agujerocentrallosclavosdelrotor,quedandoelestatora1mmdelrotortrasero. Seguidamente va encajado el rotor frontal sobre los clavos del rotor de manera que quede a 1mm de distancia del estator. Sobre el rotor magntico frontal y a travs de los clavos del rotor va montado el rotor elico,demaneraquesetieneunsubconjuntomecnicoderotacinqueconsisteenel buje, los 2 rotores magnticos y el rotor elico, todos stos, elementos solidarios. Los elementos rotativos del generador (buje y rotores) van montados por el buje con libertaddegirosobreelejedelgeneradorgraciasaloscojinetes.Elejeconteniendoal conjunto buje-rotores, es a su vez es solidario a la montura del aerogenerador. Lamonturadelaerogenerador,conteniendotodoelgeneradorconelrotorelico incluidoconstituyeunconjuntomecnicoquetieneungradodelibertad.Estegradode libertad no es otro que el viraje respecto al eje de la torre (coincidente con el eje del tubo de viraje).Estevirajeeselencargadodeapartarelplanodelaspalasdelafuerzadelviento cuando se tienen velocidades elevadas y entra en funcionamiento el sistema de orientacin. Finalmente simplemente va montada sobre la parte interna de la bisagra de cola de la montura,lacolaconlaveletayconestoyasedisponedetodoelaerogeneradorqueva montadosobrelatorrequevaintroducidaensuextremosuperioreneltubodevirajedela montura del aerogenerador. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 55 4.MATERIALES Y PESO DEL AEROGENERADOR Lalistadematerialeshacereferenciaalconjuntodeelementosqueseutilizanenla construccindeunaerogeneradorsegnelmanualdescritoenelanexoF.Esimportante resaltarquesetratadeconstruirunaerogeneradordebajapotenciamanufacturado. Ademstienecomoobjetivounafinalidaddefondosocial,ypoderimplantarseen poblaciones de poco nivel adquisitivo. Es por estas razones que se busca utilizar materiales quetenganlamsaltarelacincalidad-precio,conpreciosasequiblesenlamedidadelo posible. En este captulo se pretende, determinar la cantidad de material de cada tipo que se necesita para construir un aerogenerador, as como las dimensiones y tipologa de cada uno de estos materiales. Para conseguir esto, se indican las razones u orgenes de la demanda de cada material, es decir de que elemento mayor formarn parte. Acontinuacinsemuestranlosresultadosobtenidosdelestudiodelosmateriales necesarios, realizado en el Anexo I, en la tabla 4.1. Pg. 56Memoria MATERIALESCANTIDAD NECESARIATIPO GENERADOR ENCASTAMIENTO Resina con catalizador2.450 gResina de polister con catalizador Polvo de Talco1.400 gTalco Lavado Fibra de vidrio 1 m2Rollo de 1m de ancho ACERO Plancha de acero2 discos de 305 mm de dimetroespesor 6mm Barra roscada M8400 mmM8 Barra roscada M10960 mmM10 Tuercas M1044hexagonal M10 Tornillos M104M10 x 30 Tuercas M812hexagonal M8 Arandelas M108(*)Planas M10 (grosor de 0,5mm) Tuercas M52hexagonal M5 Tornillos M52M5 x 25 ELEMENTOS ELCTRICOS Hilo de cobre esmaltado170 mUnifilar, dimetro 1,5 mm Cable flexible18 mUnifilar de 1,5mm de dimetro Bloques Magnticos16 bloques 50x50x20mmNeodimio Alambre de Estao150mmAlambre Sn-Pb de 1,5mm Rectificadores monofsicos2US1G (30A, 400V) Disipador de Calor1 de 250 gAluminio Negro Anodizao Bloques conectores1 regleta longitud 10 cm OTROS Alambre de acero inoxidable10 mdimetro 2mm Buje 1 con cojinetes, tuerca, cupilla y guardapolvoBuje trasero de SEAT IBIZA Eje1Eje de Buje de SEAT IBIZA Cinta adhesiva216 cmTesa, blanca ROTOR ELICO MADERA Tablas3 piezas 780x165x45mmMadera de pino Plancha de madera2 discos, dimetro 300 mmCompuesto de 8 mm de grosor ACERO Tornillos M6156 x 70 Tuercas M615hexagonal M6 Tuercas M104hexagonal M10 MONTURA DEL AEROGENERADOR ACERO Tubo de 300 mm1 tuboD exterior 60,3mm, espesor 3 mm ngulos2 ngulos de 305 mmala 50x50 mm,espesor 6 mm ngulos soporte2 ngulos de 100 mmala 50x50 mm, espesor 6 mm Anillo1 anillo (tapa)D 60,3 y 15mm, espesor 6 mm Tubo de 200 mm1 tuboD exterior 33,4 mm, espesor 3 mm Trapecio1 pieza de 100 mm y ancho de 20 a 56 mmEspesor 10 mm COLA DEL AEROGENERADOR ACERO Tubo de 150 mm1 tuboD exterior 42,2 mm, espesor 3 mm Tubo de 1200 mm1 tuboD exterior 42,2 mm, espesor 3 mm Barra1 pieza300 x 30 x 8 mm Tuercas M103hexagonal M10 Tornillos M103cabeza hexagonal, 10 x 60 MADERA Madera contrachapadaTrapecio de bases 900,600, altura 600mm10 mm de espesor MATERIAL DE SOLDADURA1123 mm de varilla de Dimetro 3 mmVarilla de acero al Nquel ESTRUCTURA ACERO Tubo de 6 m1 tuboD. exterior 54 mm, espesor 4 mm Cable 1x7, dimetro 6 mm28 metrosGalvanizado, dimetro 6mm Tensores4Para cable de dimetro 6 mm Sujetacables y guardacabos12 y 4 respectivamentePara cable de dimetro 6 mm Sujetacables y guardacabos12 y 4 respectivamentePara cable de dimetro 6 mm Tabla 4.1. Lista de materiales del aerogenerador. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 57 Paraconocerelpesoquedebesoportarlamonturadelaerogenerador,ascomoel pesototaldelaerogeneradorquedeberesistirlaestructuraenformadetorretubularcon tirantes,sehacalculadoelpesodetodosycadaunodeloselementosconstituyentesdel generador.Tambinseutilizaestainformacinparaconfigurarlatabla7.1,quecontienela energa incorporada a los materiales. Seguidamenteamododesntesissepuedeobservarlatabla4.2quemuestranlos resultados obtenidos en los clculos del peso del aerogenerador que se detallan en el Anexo G. Pg. 58Memoria MATERIALESCANTIDAD Y/O DIMENSIONES PESO (g) GENERADOR ENCASTAMIENTO Resina con catalizador2.450 g2.450 Polvo de Talco1.400 g1.400 ACERO Plancha de acero2 discos dimetro 305 mm, espesor 6mm6.654 Barra roscada M8400 mm125 Barra roscada M10960 mm480 Tuercas M1044413 Tornillos M104 de M10 x 30 mm91 Tuercas M81275 Arandelas M108 de espesor 0,5 mm8 Tuercas M523 Tornillos M52 de M5 x 25 mm9 ELEMENTOSELCTRICOS Hilo de cobre170 m, dimetro 2,5 mm2671 Cable flexible6 m, dimetro 1,5 mm83 Bloques Magnticos16 bloques 50x50x20mm de Neodimio5920 Alambre de Estao150mm de 1,5 mm de dimetro2 Rectificadores monofsicos250 Disipador de Calor1 disipador de 250 g.250Bloques conectores1 regleta de 10 cm32 OTROS Alambre de acero inoxidable10 m de dimetro 2 mm245 Buje con eje y accesorios1 buje de SEAT IBIZA2355 PESO DEL GENERADOR23.316 ROTOR ELICO MADERA Tablas3 piezas 780x165x45mm de madera de pino2331 Plancha de madera2 discos, dimetro 300 mm, espesor 8 mm758 ACERO Tornillos M615 de M6 x 70 mm246 Tuercas M61530 Tuercas M10438 PESO DEL ROTOR ELICO3.403 MONTURA DEL AEROGENERADOR ACERO Tubo de 300 mm1 tubo, dimetro exterior 60,3mm, espesor 3 mm648 ngulos2 ngulos, longitud 305 mm, ala 50 mm, espesor 6 mm2684 ngulos soporte2 ngulos, longitud 100 mm, ala 50 mm, espesor 6 mm880 Anillo1 de dimetros 60,3 y 15mm, espesor 6 mm167 Tubo de 200 mm1 tubo de dimetro exterior 33,4 mm, espesor 3 mm235 Trapecio1 de longitud 100 mm, anchura de 20 a 56, espesor 10 mm296 PESO TOTAL MONTURA 4.910 COLA DEL AEROGENERADOR ACERO Tubo de 150 mm1 de dimetro exterior 42,2 mm, espesor 3 mm206 Tubo de 1200 mm1 de dimetro exterior 42,2 mm, espesor 3 mm1883 Barra1 de 300x30x8 mm562 Tuercas M10328 Tornillos M103 de M10 x 60123 MADERA Madera contrachapada1 de bases 900,600mm, altura 600mm, espesor 10mm1890 PESO DE LA COLA4.692 Material para soldadura1123 mm de varilla de Dimetro 3 mm65 PESO TOTAL AEROGENERADOR36.386 Tabla 4.2. Peso de los elementos del aerogenerador. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 59 5.ESTUDIO ELCTRICO DEL AEROGENERADOR 5.1.Introduccin La potencia de entrada que obtiene un aerogenerador se consigue convirtiendo la fuerza del viento en un par (fuerza de giro) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad mxima de energaqueelvientopuedetransferiralrotor,dependedeladensidaddelaire,delreade barrido del rotor y de la velocidad del viento. Para que se produzca una absorcin de energa por parte del rotor, ste debe provocar una reduccin de la velocidad del viento, convirtiendo la energa del viento en energa rotacional. Debido a que el caudal que pasa por el rotor se debe mantener constante, se provoca un ensanchamientodelaseccintransversaldetrsdelplanodelrotor.Enlasiguientefigurase muestradichoefecto,dondesemuestraeltubodecorrientealrededordelrotorelico.Se puedeobservarquedebidoalareduccindelavelocidaddelviento,sedebeproducirun aumento de la seccin de paso para mantener la cantidad de aire en circulacin. La reduccin de velocidad se produce de forma gradual, hasta que se llega a un valor constante. Fig. 5.1. Velocidades de entrada y salida. [10] Finalmente,lapotenciaquecontieneelvientoPelica (W)quepasaporunaseccin circular determinada es la siguiente: 2 3) 2 / (21D v Pelica = (Ec.5.1) D: dimetro del rotor elico (m) v: velocidad del viento que incide sobre el rotor (m/s) : densidad del aire (kg/m3) Pg. 60Memoria Comoesdesuponer,elrotoreliconopuedeconvertirtodaesaenergaelicaen energa de rotacin, ya que si as fuera, la velocidad del viento en la salida del rotor, sera nula, impidiendo la entrada de ms aire. As pues, hay un factor de aprovechamiento mximo de la energa elica del viento, que est definido por la Ley de Betz, sta demuestra que en el caso deunaerogeneradorideal,lavelocidaddelvientodesalidaseracomomnimo1/3desu velocidad inicial. As pues, se define el coeficiente de potencia (Cp) como la relacin entre la energa que contieneelvientoquepasaatravsdelaseccinbarridaporelrotorelicoylaenergade rotacinquefinalmenteseconsigue.Talycomosehaefectuadoenelapartadodelestudio elctrico que se muestra a continuacin, se calcula el coeficiente de potencia como el cociente de la potencia elctrica obtenida por el generador entre la potencia elica, teniendo en cuenta el rendimiento del sistema de generacin. 3 2 ) ( 8) (v D v Pv Cpg = [11](Ec.5.2) Cp (v): coeficiente de potencia en funcin del viento P (v): potencia elctrica en funcin del viento (W) As pues, conocido el coeficiente de potencia, se puede conocer la potencia que el rotor elico aprovecha del viento, calculndose sta de la siguiente forma: 324 ) (21) ( vDv Cp v Peje = (Ec.5.3) Paradeterminarelcomportamientodelaerogeneradorenfuncindelviento,ypoder hacer una caracterizacin completa de ste, se ha utilizado el estudio realizado, al mismo tipo de aerogenerador, por Teodoro Snchez C. y Jos E. Chiroque B. de ITDG-CONCYTEC-UNI, Evaluacin y mejoras del aerogenerador ITDG modelo IT-PE-100 facilitado por E.S.F.5.2.Resumen del estudio de ITDG-CONCYTEC-UNI El trabajo de investigacin realizado por Teodoro Snchez C. y Jos E. Chiroque B. se centraenlamejoradelascaractersticastcnicasdelsistema,especialmentedesu rendimiento.Aspues,laparteprincipaldelestudiosecentraenlacomparativaentreun generador de imanes permanentes de ferrita y otro con imanes de neodimio, ambos de idntico diseo. El trabajo se puede separar en cuatro partes distintas, a continuacin se explicarn las partes cuyos resultados utilizaremos posteriormente. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 61 5.2.1.Pruebas con el motor Shunt Antes de poder probar el generador en viento real y calcular los parmetros necesarios, senecesitahacerunestudiopreviodelgenerador,conunsistematotalmenteconocidopara definiraselgenerador.Parateneresto,enlugardelvientocomofuerzamotrizseutilizun motor elctrico de corriente continua tipo Shunt para dar el movimiento de rotacin al generador de forma totalmente controlada. PreviamenteselerealizunanlisisdelmotorShunt,paracalcularlosparmetros necesariosdeste,comopuedenserlasprdidaselctricasinternas(Pelc)olasprdidas rotacionales, de ventilacin y diversas (Pperd). Paradeterminarlapotenciatilquesedisponeenelejedelmotorparacualquier potenciaelctricadeentrada,sedebencalcularlasprdidasqueseproducenenste.Las prdidaselctricasdebidasallaresistenciainternadelgenerador,sepuedenmedir directamente.Paraconocerlasprdidasdelmotorserealizunapruebaalmotorenvacoa distintas velocidades. 5.2.2.Estudio del generador con imanes permanentes de Neodimio UnavezyasetienelosparmetrosnecesariosdelmotorShunt,seacoplasteal generador, y a partir de una potencia elctrica de alimentacin, se da movimiento al generador, tomando los valores de tensin en bornes de las bobinas, y tambin de los rectificadores. Las pruebas que se realizaron al generadory sus resultados son las siguientes. Primeroserealizunapruebaenvacoparaconocerlasprdidasdelgeneradorysu circuito interno. La expresin que define las prdidas rotacionales del generador de imanes de neodimio (Pperd,g [w]) en funcin de la velocidad de giro (n [rpm]): n n Pg perd 0958 , 0 10 72 5,+ =[11](Ec.5.4) La tensin de lnea en bornes del generador (Vac [V]) en funcin de la velocidad de giro (n [rpm]): n 0,0585 =acV [11](Ec.5.5) Pg. 62Memoria Como la conexin es en estrella, la tensin de fase Vfase (V) ser Vac / 3 quedando: n 0,034 Vfase = [11](Ec.5.6) Siendofinalmentelaconstanterealdelamquinadeimanespermanentesde Neodimio: K = 0,034 V/rpm Paraconocerlascaractersticasdetrabajodelgeneradorenestudio,sehizouna evaluacindesteconectadoaunacargasimilaralaqueesrequeridaparaeluso,eneste caso,laspruebasserealizaronconunabateradeautomvilde12voltiosy13placas.Con esto, se obtuvo una tabla con valores de tensin e intensidad en corriente alterna en bornes del generador y en continua en bornes de la batera. LacurvadepotenciaenbornesdelgeneradorPac[W]enfuncindelavelocidadde giro[rpm]quedarepresentadaenel siguiente grfico, donde tambin se muestra la evolucin de la potencia en continua Pdc (W), as como el rendimiento elctrico, la intensidad en continua Idc (A) y la tensin en continua Vdc (V). Grfico 5.1. Potencia y rendimiento en C.C. y en C.A. para el PMG de Neodimio. [11] Sepuedeobservarqueelvalormayorderendimientoqueseconsigueesde62,5% para una velocidad de rotacin de aproximadamente 250 rpm. Estos clculos se efectuaron sin tener en cuenta las prdidas por efecto Joule en los rectificadores.5.2.3.Estudio del aerogenerador de imanes permanentes de neodimio Una vez se tubo el generador totalmente definido, se prosigui el estudio con el acople del rotor de tres palas de perfil NACA 4412. El montaje fue instalado junto un banco de pruebas al aire libre, para conseguir as un anlisis en condiciones reales. Se tomaron valores de velocidad del viento, intensidad y voltaje en bornes de la batera cada cierto tiempo. Especificacin tcnica para la rplica en la UPC de un aerogenerador de baja potenciaPg. 63 Potencia Vs. Vel0,00020,00040,00060,00080,000100,000120,000140,000160,0002,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000Vel(m/s)Potencia (W) Grfico 5.2. Potencia en la batera en funcin de la velocidad del viento para PMG de NdFeB. [11], elaboracin propia. Elfactormsimportantedeesteestudioeslaeficienciaorendimientoglobaldel sistema,yaqueindicalacapacidaddetransformarlaenergamecnicaenelctricadel aerogenerador. La eficiencia (ns) se calcul con la siguiente ecuacin: s gnv Dv Pv Cp = =3 2 ) ( 8) ( (Ec.5.7) Los valores obtenidos, se muestran en el grfico 5.4. Eficiencia del Sistema0,000,050,100,150,200,250,302,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00m/sns Grfico 5.3. Comparativa de eficiencia entre los dos aerogeneradores. [11], elaboracin propia. El rango de eficiencia mxima se tiene para una velocidad del viento comprendida entre 5 y 6 m/s, en el generadorde imanes de Neodimio (NdFeB). A continuacin se va a realizar un estudio terico del valor de la tensin del generador de imanes permanentes de N