instalaciÓn de dos aerogeneradores de baja potencia …
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I
Universidad Politécnica de Sinaloa
Programa de Ingeniería en Energía
INSTALACIÓN DE DOS
AEROGENERADORES DE BAJA
POTENCIA EN LA UNIVERSIDAD
POLITÉCNICA DE SINALOA
AUTOR:
IRVING JUAN CARLOS MORALES
HERNÁNDEZ
Tesina presentada como requisito parcial para optar al título de:
Licenciado en Ingeniería en Energía
Asesor:
M.C. SERGIO ARTURO ORTEGA BARBOZA
MAZATLÁN, SINALOA. ENERO 2015
II
DICTAMEN
III
AGRADECIMIENTOS
A mi familia por ser un apoyo constante durante toda la carrera y demostrar su
interés por el desarrollo de mi persona.
Al M.C. Sergio Arturo Ortega Barbosa por sus enseñanzas y empeño en
mentalizarme en que todo es posible mientras se tenga la actitud, las ideas y el valor
necesario para realizar las cosas que se plantean.
Al Dr. Eber e. Orozco Guillen por su colaboración en el proyecto suministrando el
material y ayudando en la gestión para desarrollar el trabajo.
A la Dra. Nildia Mejias Brizuela por su apoyo incondicional y por darme la
responsabilidad en algunas ocasiones del desarrollo del proyecto.
Agradeciento especial a Rosa Guadalupe Brión González por su apoyo durante
toda la carrera y especialmente en este proyecto en cada momento, siendo parte
vital colaborando con ideas y motivaciones para el desarrollo de las actividades.
IV
V
RESUMEN
La Universidad Politécnica de Sinaloa presenta un creciente consumo de energía
eléctrica por lo que se instalaron dos aerogeneradores de baja potencia y un sistema
fotovoltaico para hacer pruebas de cogeneración de energía e iniciar con un extenso
plan de implementación de energías renovables en las instalaciones al mismo
tiempo de que servirán de prácticas de laboratorio para los estudiantes. El
aerogenerador de 1000 watts tiene una torre sobredimensionada que servirá para
instalar un aerogenerador más grande en un futuro debido a que no se recuperará
la inversión y es innecesaria para ese fin, además que el ahorro proyectado no será
bien fundamentado hasta que se instale una estación meteorológica que arroje
resultados de los vientos incidentes para elegir un aerogenerador adecuado para la
zona. En la investigación se hicieron proyecciones y cálculos de la torre, producción
teórica del aerogenerador y los ahorros esperados que no son factibles de acuerdo
a la inversión.
ABSTRACT
The Universidad Politécnica de Sinaloa has a growing electricity consumption so two
low-power wind turbines and photovoltaic systems were installed for testing
cogeneration and start with a comprehensive plan for implementation of renewable
energy on site at the same time they serve as labs for students. The wind turbine of
1000 watts has an oversized tower that will serve to install a larger in the future wind
turbine because the investment has not recovered and is unnecessary for this
purpose, in addition to the projected savings will not be well founded until a station
is installed weather that yields results winds incidents to choose a suitable wind
turbine for the area. In research projections and calculations of the tower, theoretical
production of the wind turbine and the expected savings are not feasible according
to the investment is made.
VI
VII
Índice o Contenido
VIII
Lista de Figuras, Lista de Tablas, Lista de Cuadros
IX
X
1
INTRODUCCIÓN
Actualmente, debido al progresivo aumento del consumo eléctrico y a la
preocupación que existe por la generación de energía con un bajo impacto
ambiental, se ha incrementado el desarrollo de sistemas de generación, basados
principalmente de fuentes renovables, conectados a la red eléctrica.
En este aspecto, la energía eólica es una de las fuentes de energía renovable más
comunes, y debido a los avances tecnológicos se ha transformado en uno de los
sistemas de generación con mayor madurez, jugando un rol importante en la
generación de electricidad a nivel mundial. Consecuentemente, la industria de
turbinas eólicas presenta importantes avances tecnológicos en el desarrollo de
sistemas de generación de alta potencia. Sin embargo, los generadores eólicos de
alta potencia son utilizados en importantes parques eólicos, no solo terrestres sino
también marítimos.
Actualmente, la importancia de la energía eólica como fuente de energía renovable
no solo incluye las altas potencias, sino también el desarrollo de sistemas de baja
potencia en ambientes urbanos. En estas aplicaciones, se utilizan generadores de
pequeño tamaño que abarcan potencias que varían desde los 200 W hasta los 10
kW. Además, los sistemas eólicos de baja potencia son más económicos y el
impacto visual causado por estas turbinas son mucho menores en comparación a
las utilizadas en grandes instalaciones. Estos sistemas se han centrado
principalmente en aplicaciones para consumo doméstico, suministrando energía en
lugares aislados, donde en algunos casos son integrados con paneles solares y
elementos de almacenamiento. [1]
El principal objetivo que se tiene por parte del departamento de Ingeniería en
Energía en la Universidad Politécnica de Sinaloa es la de suministrar energía a las
instalaciones por medio de la interconexión a la red eléctrica general por ser una
opción confiable para recuperar la inversión de los equipos que fueron adquiridos
2
para prácticas de laboratorio para los estudiantes de la institución, además de
obtener beneficios económicos a mediano y largo plazo, con lo que se pueden
comprar otros equipos de mayor tecnología en un futuro para que sean
aprovechados por la comunidad universitaria.
La instalación de aerogeneradores de gran potencia como 1 MW, 2 MW o 3MW
conlleva de varios cálculos de factibilidad, que dependen generalmente de las
corrientes de viento que se tienen en la zona que se pretende instalar. Este tipo de
proyectos requieren de alrededor de 10 años de datos meteorológicos para que
pueda ser tomado en cuenta como una inversión confiable, en caso de que se
registren corrientes de viento necesarias para que los aerogeneradores funcionen
de manera óptima la mayoría del tiempo y puedan obtenerse grandes beneficios
económicos y ambientales.
En la universidad se instalarán aerogeneradores de baja potencia por lo que no se
requieren de tantos estudios dado que será un experimento por parte de los
docentes para cuantificar la energía que se esté generando de acuerdo a los datos
teóricos que se tienen de la zona por parte de estaciones meteorológicas. En un
futuro se tomaran datos de viento dentro de la universidad para elegir el tipo y
potencia del aerogenerador pertinente para la zona.
3
CAPITULO 1. MARCO CONTEXTUAL
1.1 EMPRESA
1.1.1 RESEÑA HISTÓRICA
La Universidad Politécnica de Sinaloa (UPSIN) surge a partir de una
correspondencia de los dos niveles de gobierno, Federal y Estatal, compartiendo la
misma preocupación de diversificar la oferta educativa en aquellas regiones que
carezcan de opciones viables de operar. Además, surge como parte de la propuesta
contenida en el Programa Nacional de Educación 2000-2006, que pretende
impulsar el desarrollo con equidad de un sistema de educación superior de buena
calidad que responda con oportunidad a las demandas sociales y económicas del
país y obtenga mejores niveles de certidumbre, confianza y satisfacción de sus
resultados. La necesidad de fortalecer la educación superior en el sur de nuestra
entidad federativa motivó al Ejecutivo Estatal a crear una institución de educación
superior de alta calidad que fuera capaz de formar ciudadanos ejemplares, con
dominio de la tecnología de punta y con aptitud para integrarse cabalmente a su
entorno. Después de varios estudios de orden de económico y de oferta y demanda
educativa, se decidió instalar la UPSIN en la ciudad y puerto de Mazatlán, a su vez
que se contaba con las condiciones propicias, tanto en infraestructura educativa
como industrial y de prestación de los servicios. Dichos estudios arrojaron la
necesidad de crear las carreras de ingeniería en Biotecnología, en Mecatrónica y
en Informática. Así, el 30 de agosto de 2004 se crea la UPSIN como un organismo
público descentralizado del Estado de Sinaloa, según aparece en el decreto para
su creación, publicado en el diario oficial de la fecha anteriormente indicada. El
precedente histórico de la UPSIN es la creación del subsistema de Universidades
Politécnicas (UUPP) de la Subsecretaría de Educación Superior (SES) en el 2001.
Con el apoyo de la Coordinación de las Universidades Politécnicas (CUP), se crea
la UPSIN y se implanta el mismo modelo educativo con el que se rigen las UUPP
en nuestro país; este modelo educativo plantea la formación profesional basada en
competencias y centrado en el aprendizaje significativo del alumno. A partir de la
4
fecha de publicación del decreto de creación, en el diario oficial del estado, se
iniciaron los trabajos que se requerían para estar en posibilidades de convocar a
aspirantes a ingresar a la UPSIN; conseguir y habilitar el espacio provisional para el
desarrollo de las actividades propias de la universidad, entre otros. En febrero de
2005 se lanzó la primera convocatoria para aspirantes a ingresar a la UPSIN y este
proceso concluyó con el registro oficial de 138 alumnos, distribuidos en las tres
carreras, dando inicio a las actividades académicas el día 2 de mayo del mismo año.
Al mismo tiempo se lanzó la segunda convocatoria para ingresar a la UPSIN en
septiembre de ese mismo año. A partir de entonces, la UPSIN lanza una
convocatoria anual con el propósito de iniciar actividades académicas, para cada
generación, en el mes de septiembre.
1.1.2 MISIÓN, VISIÓN Y OBJETIVOS
Formar profesionistas con alta capacidad tecnológica, espíritu emprendedor y
sólidas bases humanistas y generar conocimiento científico y tecnológicos,
mediante servicios de calidad sustentados en programas académicos pertinentes
con un modelo educativo basado en competencias y centrado en el aprendizaje.
En el 2015, la Universidad Politécnica de Sinaloa es reconocida nacionalmente
como una institución pública de educación superior que ofrece programas
educativos de excelencia, vinculada a organismos nacionales e internacionales,
desarrollando y aplicando líneas de investigación que impulsan la asimilación,
transferencia y mejora de la tecnología e incrementando la especialización de la
fuerza laboral del país a través de la educación continua y vinculación con el sector
productivo.
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1.1.3 DEPARTAMENTO DE UBICACIÓN:
El laboratorio de Ingeniería en Energía de la Universidad Politécnica de Sinaloa
cuenta con recursos materiales para llevar a cabo las practicas necesarias acerca
de la energía eólica para llevar a cabo la instalación de un aerogenerador, siendo el
lugar adecuado para realizar la estadía durante el lapso que se disponga.
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.2.1 PROBLEMÁTICA
En esta casa de estudios se consume una cantidad considerable de energía día con
día, capaz de generar un gasto económico que está creciendo conforme aumentan
las edificaciones y los alumnos inscritos, por lo que al disminuir el consumo, ese
dinero se podría destinar para otras necesidades institucionales.
La universidad debe de iniciar un plan inmediato de ahorro de energía para
satisfacer las necesidades de la población estudiantil, con lo que con la instalación
de dos aerogeneradores y una granja solar se pretende reducir el consumo
energético y así comenzar con lo que se tiene previsto que es instalar un
aerogenerador de mayor potencia y mayor cantidad de sistemas fotovoltaicos.
La instalación de este tipo de sistemas no es la solución óptima, ya que se debe
establecer un programa de ahorro y uso eficiente de la energía para que los equipos
suministradores de energía sean un apoyo y no una solución porque la inversión
tiene que ser grande y no es fácil obtener esos recursos rápidamente.
1.3 JUSTIFICACIÓN
La energía eléctrica se obtiene de diversas fuentes como los combustibles fósiles,
nuclear y renovables, siendo la última de las que menos se aprovecha con respecto
a su capacidad de generación, por lo que se propone una instalación de dos
aerogeneradores de baja potencia, uno interconectado a la red y el otro que sirva
6
como suministrador de energía para dos o tres luminarias para el interior de la
universidad.
La energía obtenida es muy poca con respecto a la que se necesita, pero es una
buena opción de empezar a fomentar el uso de energías renovables entre los
estudiantes y trabajadores de la institución, ya que mediante recomendaciones se
puede convencer a que la población mazatleca invierta en este tipo de sistemas y
deje de consumir un poco de electricidad de la compañía eléctrica que la produce
mediante combustibles fósiles provocando daños irreversibles al medio ambiente.
1.4 OBJETIVOS
Se pretende generar un impacto en la comunidad universitaria mediante el
desarrollo de un proyecto que sea innovador o que cause beneficios para los
estudiantes, ya sean de manera directa o indirecta.
1.4.1 OBJETIVO GENERAL
Instalar dos aerogeneradores de baja potencia para que suministren energía
eléctrica y sirvan como apoyo en la preparación de los estudiantes del programa
académico de Ingeniería en Energía cuando requieran conocer acerca de este tipo
de temas sobre energías renovables, además de obtener beneficios a mediano y
largo plazo con la energía que se esté obteniendo mediante las corrientes de viento
incidentes en las zonas donde sean instalados los aerogeneradores.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Realizar pruebas de aprovechamiento de los aerogeneradores.
- Diseñar las estructuras para el montaje de los aerogeneradores.
- Gestionar la construcción de las estructuras con el director del programa
académico y las autoridades de la universidad.
- Montaje de los aerogeneradores.
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- Realizar propuesta de aprovechamiento de la energía obtenida
- Realizar estudio de ahorro y factibilidad del aerogenerador de 1000 watts
CAPITULO 2. MARCO TEÓRICO
2.1 SISTEMAS DE GENERACIÓN EÓLICA
La energía eólica es una de las fuentes de energía renovable más comunes y,
producto de los avances tecnológicos en el desarrollo de generadores eléctricos, se
ha transformado en uno de los sistemas de generación con mayor madurez jugando
un rol importante en la generación de electricidad a nivel mundial. Como resultado,
en los últimos 5 años el mercado de turbinas eólicas se ha incrementado
considerablemente con una capacidad instalada que ha crecido con un promedio
anual de un 22.7%. La capacidad instalada a nivel mundial a finales del 2012 se ha
incrementado en 45 GW en comparación al año 2011 llegando a un total de 282.5
GW instalados, de los cuales 109.5 MW pertenecen a la Unión Europea y 22.7 MW
se encuentran instalados en España. Consecuentemente, la industria de turbinas
eólicas presenta importantes avances en el desarrollo de sistemas de generación
de gran potencia, con el desarrollo de turbinas capaces de producir decenas de MW.
Sin embargo, los sistemas de grandes potencias están orientados a parques eólicos
tanto terrestres como marítimos.
En los comienzos los sistemas de generación eólica (SGE) utilizaban comúnmente
generadores de inducción de jaula de ardilla conectados directamente a la red
eléctrica. Sin embargo, actualmente se ha evolucionado principalmente hacia
sistemas operando a velocidad variable, permitiendo mayor control del sistema
optimizando la energía capturada del viento. La ventaja de operar a velocidad
variable, en comparación con los sistemas que trabajan a velocidad constante, es
que la energía anual capturada es un 5% mayor [Carrasco et al., 2006]. En este
aspecto, en la integración de turbinas eólicas operando a velocidad variable, la
8
electrónica de potencia se ha convertido en la herramienta más eficiente para el
proceso de conversión de la energía.
Un SGE se encarga de convertir la energía cinética del viento en energía eléctrica,
para posteriormente transformarla a los niveles energéticos necesarios para su
posterior almacenamiento, o inyección a la red eléctrica. En la figura 2.1 se observa
un esquema simplificado utilizado normalmente para inyectar la energía a la red.
Este proceso está compuesto por una turbina eólica, un generador eléctrico y una
etapa de potencia.
Figura 2.1. Esquema general de sistemas de generación eólica interconectados a
la red.
El proceso de generación comienza cuando la energía cinética del aire genera la
fuerza necesaria en las palas de la turbina para desencadenar un movimiento
rotatorio en el eje, es decir, la energía cinética del viento es transformada en energía
mecánica. Posteriormente, a través de un sistema de transmisión mecánico,
generalmente una caja reductora, el generador transforma la energía mecánica en
eléctrica. Más tarde, la etapa de potencia convierte la corriente alterna y la adapta
a las características eléctricas requeridas por la aplicación. Es necesario tener en
cuenta que el uso de una caja reductora como sistema de transmisión se encuentra
asociado generalmente al caso de generadores de potencias elevadas, ya que para
potencias menores, la turbina se acopla directamente al eje del generador.
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En el desarrollo de los sistemas de generación es posible distinguir entre dos
grandes grupos, la gran eólica, que abarca las potencias mayores a 10 kW, y la mini
eólica, abarcando potencias entre 200 W y 10 kW. En España, la energía mini eólica
se encuentra regulada dentro del mismo marco que la gran eólica, en el
RD661/2007. Además existe una normativa de fabricación de pequeñas turbinas,
IEC − 61400 − 2Ed2 del comité Electrotécnico Internacional, aunque su
cumplimiento no es obligatorio.
Los SGE se pueden diferenciar de acuerdo al tipo de generador utilizado y la
disposición de su eje de rotación. En lo que respecta a la disposición del eje de
rotación del generador, lo que caracteriza a los SGE es el tipo de turbina utilizada y
las velocidades mínimas necesarias para la rotación. Dependiendo del tipo de
turbina, un SGE se puede clasificar como sistema de generación de eje horizontal
o de eje vertical.
2.1.1 SISTEMAS DE GENERACIÓN HORIZONTAL
Las turbinas de eje horizontal son las más utilizadas en los sistemas de generación
eólica, y se encuentran disponibles tanto para sistemas de gran eólica, como de
mini eólica. La orientación de estos sistemas siempre es en la dirección del viento,
utilizando veletas en el caso de generadores de baja potencia y sensores y servo-
motores en el caso de altas potencias. De acuerdo a la orientación del rotor con
respecto a la dirección del viento, se puede diferenciar entre los rotores a
barlovento, en los cuales el viento incide primero sobre las palas de la turbina y
posteriormente sobre la torre de sustentación, y los rotores a sotavento, que es el
caso contrario, donde el viento incide primero sobre la torre y la máquina y por último
en las palas de la turbina.
Además, en este tipo de sistemas de generación los rotores se encuentran
compuestos de diferentes números de palas o aspas, variando generalmente entre
1 y 4 palas. Las turbinas comúnmente utilizadas son de tres, de dos y de una pala,
como se ilustran en la Fig. 2.2 para los rotores tripala, bipala y monopala,
10
respectivamente. Las turbinas compuestas de rotores monopalas y bipala,
presentan importantes vibraciones debido a su configuración asimétrica. Por lo
tanto, las turbinas con rotores tripala son las más utilizadas, ya que presentan una
operación más estable, producto de su rotación más suave y uniforme, eliminando
vibraciones en la torre y en la instalación. Si bien a mayor número de palas se
obtiene menor rizado de par, el exceso de peso provocado por un alto número de
palas genera importantes costes de eficiencia e instalación.
Figura 2.2. Turbinas eólicas de eje horizontal
2.1.2. SISTEMAS DE GENERACIÓN VERTICAL
Los sistemas de generación de eje vertical son aquellos en el que el eje de rotación
se encuentra perpendicular al suelo, abarcan un rango de potencias entre los 200
W y los 4 kW, y su característica principal es que son omnidireccionales y pueden
adaptarse a vientos turbulentos, cambiantes en dirección y velocidad, que son
situaciones habituales encontradas en azoteas de edificios urbanos, por lo tanto, los
sistemas con turbinas de eje vertical sonmás adecuados para instalaciones urbanas
que los sistemas de eje horizontal. Además, los sistemas de eje horizontal funcionan
mejor con vientos de flujo laminar, y por tanto requieren torres más altas generando
mayor impacto visual. En cambio, en los sistemas de eje vertical, debido a la
ausencia de dispositivos orientadores y la menor altitud de las torres reducen las
vibraciones y ruidos producidos por la turbina. Sin embargo, una importante
11
desventaja en comparación a las turbinas de eje horizontal, es que las velocidades
del viento aumentan con la altura, perdiendo la posibilidad de la conversión de
mayores potencias.
Dentro de los sistemas de eje vertical, es posible diferenciar varios modelos de
turbinas eólicas, como:
- Modelo Savonius.
El rotor de tipo savonius, representado en la Fig. 2.3 es el rotor más sencillo, y
consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual sus dos mitades se
desplazan para convertirse en una S. Las partes cóncavas de la S captan el
viento, mientras que los reversos presentan menor resistencia. Este tipo de rotor
es utilizado a velocidades bajas, presenta autoarranque y el giro se obtiene
aprovechando la fuerza de arrastre del viento.
Figura 2.3 y 2.4. (a) Generador de eje vertical de tipo Savonius bipala, y (b)
Generador de eje vertical de tipo Darrieus bipala.
- Modelo Darrieus.
El rotor de tipo Darrieus, que se observa en la Fig. 2.4. El giro se produce al
aprovechar la fuerza de sustentación del viento, lo cual permite mayores
velocidades que un rotor de tipo Savonius. Se compone de unas finas palas
imitando un ala de avión que son simétricas y están unidas al eje solo por los dos
extremos, formando una curva especial diseñada para un máximo rendimiento.
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Este rotor, tiene como inconveniente el bajo par de arranque, necesitando de un
sistema de arranque secundario, o añadiendo en el centro rotores de tipo
Savonius que facilite el arranque de la turbina.
- Modelo Darrieus H o Giromill.
El rotor de tipo Darrieus H ilustrado en la Fig. 2.5 de 2 a 6 palas situadas
verticalmente al eje, unidas por brazos horizontales. Las palas verticales cambian
su orientación a medida que se produce el giro del rotor para mayor
aprovechamiento de la fuerza del viento.
Figura 2.5. Generador de eje vertical tipo Darrieus H.
Modelo Savonius Helicoidal. El rotor de tipo Windside, Fig. 2.6, es un sistema similar
al rotor Savonius, sólo que en vez de la estructura cilíndrica para aprovechamiento
del viento, consiste en un perfil alabeado con torsión que asciende por el eje vertical.
La principal diferencia entre los demás rotores de eje vertical es el aprovechamiento
del concepto aerodinámico, que la acerca a las eficiencias de las turbinas de eje
horizontal, reduciendo el rizado de par y creando un efecto chimenea que acelera
la turbina.
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Figura 2.6. Generador de ejer vertical de tipo Savonius Helicoidal.
2.2 TIPOS DE GENERADORES
La integración de estos sistemas a la red eléctrica varía en función del tipo de
generador. Los generadores que comúnmente se encuentran en la generación
eólica son el generador de inducción con doble bobinado (GIDB), los generadores
de inducción (GI) de jaula de ardilla y los generadores síncronos (GS). Dependiendo
del tipo de generador utilizado, la configuración de la etapa de potencia utilizada
como su conexión a la red varía, diferenciándose dos grandes grupos dentro de los
SGE, aquellos que operan a velocidad constante, y aquellos que operan a velocidad
variable. Actualmente los sistemas operando a velocidad variable se imponen en el
mercado de turbinas eólica debido a que la producción de energía depende de la
velocidad del viento, optimizando la producción de energía. Además, los sistemas
a velocidad variable permiten un mayor control de la potencia activa y reactiva, y
como bien se ha explicado anteriormente, tienen una producción de energía anual
mayor en comparación a los de velocidad contante.
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En esta sección se revisará brevemente las diferentes configuraciones utilizadas
para la integración de los cuatro tipos de generadores más utilizados, así como la
electrónica de potencia utilizada para su integración a la red eléctrica.
2.2.1 GENERADOR DE INDUCCIÓN DE DOBLE
BOBINADO
El generador GIDB es uno de los más importantes en los sistemas de generación
eólica y actualmente, abarca aproximadamente un 50% del mercado. Este
generador se caracteriza por ser un generador de inducción con el rotor bobinado.
Los GIDB se utilizan en sistemas operando a velocidad variable, y se caracteriza
porque la potencia generada por este sistema está restringida para un rango de
velocidad segura de rotación, con lo que el diseño de la electrónica de potencia está
pensado para trabajar con potencias menores que la potencia nominal de la
máquina, aproximadamente un 30% de la potencia nominal.
La configuración típica de conexión a la red se detalla en la Fig. 2.7, en la cual se
observa como la etapa de potencia conectada desacopla al rotor de la red eléctrica,
con lo cual es posible regular la velocidad de rotación ajustando el par del
generador, y por lo tanto, regular la potencia generada. Además, se observa el
estator de la maquina conectado directamente a la red eléctrica, con lo cual se
controla el flujo de potencia de la máquina, sintonizándolo a la frecuencia de red.
Figura 2.7. Esquema de conexión para GIDB
15
CAPÍTULO 3. METODOLOGÍA O PROPUESTA A
IMPLEMENTAR
3.1 TORRE DE AEROGENERADOR La torre aunque a veces considerada de menos importancia, es la parte más
importante de nuestro sistema eólico, ya que está encargada de proporcionar la
altura adecuada, pero claro a mayor altura mayor coste de materiales.
Además debe de resistir los intensos vientos así como el peso del aerogenerador.
Existen diferentes estilos y tipos de torre, pero dos que se destacan son las torres
de celosía y las torres de tubulares. En nuestro caso se escogió una torre de celosía
debido a que es más rápida de armar y además es más barata a comparación de
una tubular que representa un coste mayor debido a la complejidad que presenta
construirla, así como él envió que se tendría que pagar, debido a que en Mazatlán
no se cuenta con la tecnología necesaria para este tipo de estructuras.
En la siguiente tabla se presentan las ventajas e inconvenientes de este tipo de
torres.
Tabla 3.1 Ventajas y desventajas de una torre a base de perfiles angulares. [2]
Ventajas Inconvenientes
Coste más bajo
Fácil montaje a partir de perfiles angulares
Facilidad de transporte
Mayor mantenimiento. Debido a que periódicamente se tiene que revisar las uniones de los perfiles angulares
Limitada a pequeña y mediana potencia Usualmente estos sistemas son diseñados a alturas menores de 30 m con respecto al suelo y en aerogeneradores menores a 10Kw de potencia.
16
3.1.1 VARIABLES DEL MATERIAL.
Aspectos de verdadera importancia se encuentran en el diseño de la torre y del tipo
de material usada para su construcción, ya que de este dependerá si la torre podrá
resistir los factores ya mencionados. Algunas de las variables a tener en cuenta son:
- RIGIDEZ
La estructura precisa unos requisitos de rigidez necesaria que evite los
desplazamientos que pueden ocasionar las cargas. Esta rigidez es proporcionada
a la estructura por una combinación de factores; en primer lugar como característica
intrínseca del material, el acero es un material bastante rígido. En segundo lugar, el
espesor de la estructura le confiere rigidez cuanto mayor sea este.
- CIMENTACIÓN
La cimentación es la parte esencial de la torre ya que en ella recurrirán la mayoría
de las tensiones generadas. Un punto que diferencia el diseño de la torre con el
diseño de la cimentación es la geología del terreno. Cuando el terreno es lo
suficientemente compacto, esto es que la tensión admisible sea superior a un valor
determinado, habitualmente 3 Kg/cm2, el diseño de la cimentación se puede
considerar convencional. Este tipo de cimentación dispone de una zapata de
hormigón pretensado sobre la que se monta una virola que se unirá posteriormente
a la brida inferior de la torre. [3]
El material utilizado será el acero ASTM debido a que tiene un momento flector de
aproximadamente 450 Mpa.
- VARIABLES DEL VIENTO.
Dejando de lado el la velocidad del viento como tal, existen factores que afectan la
decisión de la edificación de cualquier tipo de estructura debido a las fuerzas que
ejerce el viento sobre estas tales como:
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Velocidad de viento
Factor de exposición
Forma aerodinámica de la estructura
Factor de respuesta dinámica
Todos los sistemas estructurales serán diseñados y construidos para transferir las
fuerzas de viento hacia el suelo.
(Chin, 2003)
- CARGAS DEL VIENTO.
En las torres de celosía se presenta un fenómeno de apantallamiento cuya
influencia es muy significativa. Este fenómeno consiste en la disminución de la
magnitud de la presión que ejerce el viento en los elementos de una estructura que
encuentra a su paso en un segundo plano, después de haber sido obstaculizada
por los elementos ubicados en la cara expuesta al viento.
Lo primero que tendremos que hacer es tener en cuenta la presión que ejerce el
viento en nuestra estructura. La cual está definida por la siguiente expresión:
𝑞𝑧 = 0.048 ∗ 𝑣𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜2 (0.1)
Donde 0.048 es un factor adimensional, relacionado con las variables antes
mencionadas (Rugosidad del terreno, factor de importancia y factor topográfico).
Después se tendría que calcular los coeficientes de fuerza del viento. Cabe
mencionar que el estudio que se elaborara será seccionado en distancias de 2
metros teniendo diferentes velocidades del viento en cada sección.
El coeficiente de fuerzas para estructuras está íntimamente relacionado a la relación
de solidez del sistema. La relación de solidez está definida por la siguiente ecuación:
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𝑒 =𝐴𝑒
𝐴𝑔 (0.2)
Donde Ae es el área proyectada de los componentes estructurales planos en una
cara de la sección. Y Ag representa el área bruta de una cara como si dicha cara
fuese sólida.
Para torres de celosía cuadradas el Coeficiente de fuerzas está dado por la
siguiente expresión.
Cf = 4.0 e² – 5.9 e + 4.0 (0.3)
Es así como la fuerza que proviene del viento afecta a nuestra estructura mediante
la siguiente ecuación. [4]
F=Cf*qz*Ae (0.4)
3.1.2. DISEÑO DE LA TORRE
- Mostrar el diseño realizado al encargado de obras de la universidad para que
se encargue de la construcción.
Figura 3.1. Diseño de la torre desde diferentes vistas.
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CAPITULO 4. RESULTADOS.
Entre los resultados más significativos primeramente están las siguientes
evidencias donde se obtuvieron los siguientes resultados de acuerdo a las
velocidades del viento del atlas eólico (Fig. 4.1).
Tabla 4.1 Cálculos de fuerza con respecto a las medidas de la torre.
Altura Velocidad
en Km/h Ae (m^2)
Ag
(m^2) Relación de solidez Cf
qz
(N/m^2)
Fuerza de
carga (N)
2 3.6 0.169926 9.448 0.017985394 3.8951801 0.62208 0.411750005
4 7.2 0.163322 8.267 0.019755897 3.8850014 2.48832 1.57885446
6 10.8 0.156464 4.95 0.031608889 3.817504 5.59872 3.344126388
8 14.4 0.149606 2.15 0.069584186 3.6088211 9.95328 5.373788763
9 16.2 0.091186 1.405 0.064901068 3.6339323 12.59712 4.174228926
10 18 0.086106 0.84 0.102507143 3.4372387 15.552 4.602876867
11 19.8 0.08255 0.34 0.242794118 2.8033106 18.81792 4.354716841
12 21.6 0.078994 0.122 0.647491803 1.8567809 22.39488 3.284758959
F neta 27.12510121
20
Grafica 4.1 Tabla de la relación de solidez en base al coeficiente de fuerza del
viento.
Grafica 4.2. Fuerza ejercida por el viento contra valores de presión del viento.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Re
lacó
n d
e s
olid
ez
Coeficiente de fuerza del viento
0
1
2
3
4
5
6
0.62208 2.48832 5.59872 9.95328 12.59712 15.552 18.8179222.39488
Fue
rza
Eje
rcid
a p
or
el v
ien
to
Valores de presion del viento
21
4.1 PRODUCCIÓN DEL AEROGENERADOR.
De acuerdo a la eficiencia del aerogenerador y al atlas eólico proporcionado por el
instituto de investigaciones eléctricas, se puede saber fácilmente el nivel de
producción que tendremos en Kwh diario y anual, así como la reducción de
emisiones de CO2.
Es decir se sabe por el mapa eólico que se tiene una velocidad de viento entre 5 a
6 m/s. Según la ecuación.
𝑃 = (𝑑 ∗ 𝐴 ∗ 𝑉3)/2 (0.5)
Figura 4.1. Atlas eólico de México. [5]
22
Tabla 4.1. Especificaciones técnicas del aerogenerador de 1000 watts.
23
Figura 4.2. Producción del aerogenerador en Watts a diferentes velocidades
Tabla 4.2. Producción del aerogenerador a velocidades promedio.
Velocidades del viento
en m/s
Potencia del
viento Promedios
Potencia del viento
Pelectrica en Kw
Produccion diaria en
Kwh
Produccion en Kwh anual
Reduccion de la
huella de CO2 en Kg
anuales
Reduccion de la
huella de SO2 en Kg
anuales
1 1.848
Velocidad de 1 a 2
8.316 0.003 0.076
27.683 16.610 36.818
2 14.784
Velocidad de 2 a 4
32.341 0.012 0.295
107.655 64.593 143.181
3 49.897
Velocidad de 4 a 6
249.484 0.095 2.275
830.483 498.290 1104.542
4 118.274
Velocidad de 6 a 8
659.747 0.251 6.017
2196.165 1317.699 2920.900
5 231.004
6 399.175
Factor de maquina
Area del rotor (m^2)
Densidad del viento
kg/m^3
7 633.874 0.38 3.0171926 1.225
8 946.192
24
Grafica 1.3 Reducción de los contaminantes
4.2 MONTAJE DE LOS DOS AEROGENERADORES, UNO
DE 600 WATTS Y OTRO DE 1000 WATTS.
Figura 4.3. Aerogenerador de 600 watts
Figura 4.4. Aerogenerador de 1000 watts.
0.000
500.000
1000.000
1500.000
2000.000
2500.000
3000.000
3500.000
27.683 107.655 830.483 2196.165
Re
du
ccio
n e
n K
g an
ual
es
Produccion en Kwh anuales
CO2
SO2
25
4.3 AHORROS TEÓRICOS QUE SE PODRAN OBTENER CON EL AEROGENERADOR. Con la velocidad teórica promedio de Mazatlán, Sinaloa, México, que es de 5-6 m/s
se obtendrá un ahorro bajo y este consiste en la siguiente formula.
Ahorros anuales
(4.8 KWh/día) ( 365 días) (1.43 $/Kwh) (1.16 $ IVA) (0.5)
=
$ 2906.21/año
Con este ahorro la inversión no se recupera porque estamos hablando de que se
invirtieron alrededor de $ 100 000.00 y el retorno de inversión no es capaz de ser
rentable y no se obtendrían beneficios ni a mediano ni a largo plazo.
26
Capitulo 5. Conclusiones La instalación de aerogeneradores de baja potencia requieren de vientos constantes
y altos para que puedan ofrecer la potencia que se espera obtener de ellos, además
que se tiene que buscar al proveedor que venda a precios justos y accesibles este
tipo de productos, ya que como se está tratando con un mercado nuevo, los
vendedores se aprovechan de la necesidad o inquietud de las personas por adquirir
este tipo de sistemas, no obstante que las compañías fabricantes aun venden
también estos equipos a un precio alto porque algunos quieren recuperar las
patentes compradas o las investigaciones que han realizado a través de los años
para fabricar este tipo de aerogeneradores.
Los resultados que se pretenden con estos aerogeneradores en un largo plazo son
que los estudiantes que cursen la carrera de Ingeniería en Energía y afines sean
capaces de experimentar todo lo que sea posible para que adquieran un
conocimiento que les sirva en un futuro si deciden estudiar un posgrado o buscan
un trabajo donde se tenga que diseñar, instalar o vender este tipo de equipos.
La estadía en la universidad fue fructífera ya que permite experimentar de nuevo
con este tipo de sistemas y no te limita a lo que solo se vio durante el curso de
Energía Eólica impartido en el tercer cuatrimestre, por lo que se logra adquirir
nuevas experiencias.
Otro aspecto fue el trato con el encargado de obras de la universidad, porque él nos
recomendaba un tipo de material y diseño, dando como resultado cambiar el diseño
y/o material elegido, además de que ya se tiene un trato con las personas que
ayudan en que un proyecto se lleve a cabo como fue la instalación de dos
aerogeneradores.
27