Aerogenerador

Taller II de ingeniería Facultad de Ciencias de la Ingeniería Universidad Austral de Chile

AEROGENERADOR Una forma amigable de producir energía

Grupo: Electro-Five Integrantes: Cristóbal Fuentes, Joaquín Gonzalez, Juan Aníbal Mancilla, Felipe Mendoza. Profesor: Sr. Renato Loaiza. Carrera: Ingeniería Civil Electrónica. Fecha de Entrega: 30 de noviembre de 2009

INDICE 1. Introducción 1.1 Antecedentes 2. Aerogenerador  2.1 Como funciona 2.2 Partes que lo conforman 2.3 Procedimientos para construirlo 3. Consideraciones del entorno. 3.1 Ubicación 3.2 Impacto ambiental 4. Maqueta 4.1 Materiales utilizados 4.2 Pasos para su construcción 4.3 Plano de la maqueta 5. Memoria de cálculo 5.1 Centro de masa del aerogenerador  5.2 Momento de fuerza del viento sobre el aerogenerador  5.3 Momento de inercia de las aspas 5.4 Velocidad angular de las aspas 5.5 Energía cinética rotacional de las aspas 6. Conclusiones 7. Bibliografía

RESUMEN El presente informe trata acerca de cómo construir un aerogenerador y los cálculos estáticos que se le pueden aplicar a la estructura. También se ha incluido información de la situación energética mundial actual, para dar razones de la importancia del uso de energías renovables como la eólica. Las conclusiones a las que llegamos, tras recopilar información en la Internet, fueron que requerimos mayor conocimiento sobre el comportamiento de fluidos y de electricidad para poder realizar un aerogenerador que funcione lo mas eficiente posible. Además, indicamos que el uso de energías limpias tiene que empezar cuanto antes dado que si se persiste con el uso de combustibles fósiles se le hará un gran daño al medio ambiente.

1. INTRODUCCIÓN Hoy en día, cuando hablamos de la energía mundial los conceptos que se ponen ponen sobre sobre la mesa mesa son los de combust combustibl ibles es fósile fósiles, s, energía energíass altern alternati ativas, vas, escasez de recursos, aumento de precios, etc. Otras cosas que actualmente están en boca de todos son los temas del cambio climático, efecto invernadero y las emisiones de dióxido de carbono, por mencionar algunos. Por estas razones es que en el presente presente informe se recopiló información información acerca de estos temas, con el objetivo objetivo de conocer que relación tenían tenían entre sí y poder aportar en lo posible con soluciones a estos problemas. Para Para logra lograrr nues nuestr tros os obje objetitivos vos,, se real realiz izó ó una una recop recopililac ació ión n de datos datos ubicados en la Internet, los cuales serán expuestos a lo largo de este informe. Ahondamos en las consideraciones, desde el punto de vista de la física estática, para la construcción de un aerogenerador y también indicamos las características de una maqueta que construimos para representarlo. Todo lo anterior, dado a que parte de nuestros objetivos es aportar con un granito de arena a los problemas que tiene el mundo de hoy.

1.1 Antecedentes El ser humano humano requiere requiere de determ determinad inados os servici servicios os para satisf satisface acerr sus necesidades. Para obtenerlos hace uso de la energía, la cual es obtenida a través de diversas fuentes. Existen fuentes de energías renovables y no renovables. Las energías renovables son aquellas que de forma periódica se ponen a disposición del hombre y que éste es capaz de aprovechar y transformar en energía útil para satis satisfa face cerr sus sus nece necesi sidad dades es [1]. [1]. Por Por otro otro lado lado,, se enti entiend ende e por por ener energí gías as no renovables a las fuentes de energía que se encuentran en la naturaleza en una cantidad limitada y que una vez consumidas no pueden sustituirse [2]. Entre Entre las energías energías renova renovables bles encontram encontramos os a la hidrául hidráulica, ica, la cual cual es la energía que se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior, lo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas [2]. Otra energía que pertenece a este grupo es la solar, que se obtiene a partir de la radiación emitida desde el sol y se aprovecha para obtener electricidad (a través de paneles fotovol fotovoltai taicos cos a base de silicio) silicio) y calefa calefacci cción ón (concentra (concentrarr el calor del sol en un fluido). La energía eólica; aquella contenida en el viento, pues las masas de aire al moverse contienen energía cinética; es otra renovable [3]. También se tiene que mencionar a la biomasa, es decir, la materia orgánica que se encuentra en la tierra que incluye los materiales que proceden de la transformación natural o artificial y de la cual obtenem obtenemos os electr electrici icidad dad,, calefa calefacció cción n y biocom biocombus bustib tibles les [4]. [4]. La última última renovable a mencionar es la geotérmica, que corresponde a la energía termal acumulada acumulada bajo la superficie superficie de la tierra y se puede utilizar tanto para suministrar  suministrar  calor como para generar electricidad [5]. Varias de estas energías renovables no emiten contaminantes, sin embargo, presentan ciertos impactos ambientales como en el caso de la hidráulica en que se destruye parte del hábitat por la inundación que implica la construcción de la represa o la geotérmica que puede contaminar  en algún grado las aguas subterráneas.

Por otra parte, entre las energías no renovables tenemos a la energía nuclear, la cual se puede obtener por el proceso de fisión nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por fusión nuclear (unión de núcleos atómicos muy muy livi livian anos os)) y se usa usa para para obte obtene nerr elec electr tric icid idad ad [6]. [6]. Otro Otro tipo tipo de energ energía ía no renovable son los combustibles fósiles. Dentro de este grupo podemos encontrar  al carbón mineral, una roca sedimentaria muy rica en carbono usada con fuerza desde la revolución industrial para mover ferrocarriles, calentar hogares, y generar  elec electr tric icid idad. ad. Tamb Tambié ién n tene tenemo moss al gas gas natur natural, al, un deri deriva vado do del del petr petról óleo eo que que consiste en una mezcla de gases, donde el metano (CH 4) constituye más del 70% y el cual es usado para calefaccionar hogares, hacer andar centrales eléctricas y como combustible de automóviles [7]. Por último, mencionamos al petróleo, una mezcla compleja de hidrocarburos y de propiedades variables, el cual es usado para para alim aliment entar ar centr central ales es térm térmic icas as que produc producen en elect electri rici cida dad, d, tamb también ién como como carburante para mover diferentes vehículos, además se obtienen aceites para motores, plásticos, fibras sintéticas, cauchos sintéticos, colorantes y productos farmacéuticos [8]. Lo mas destacado del petróleo es que aporta más energía por  gramo que ningún otro combustible [9]. El uso de estas energías, emite grandes cantidades de dióxido de carbono y metano a la atmosfera; esto pasa con el carbón, el petróleo y el gas natural. Por otro lado, los residuos radioactivos que deja el uso de la energía nuclear son muy peligrosos y todavía no se sabe que hacer con ellos. ellos. Además, hay que mencionar mencionar el hecho de que algún día, no muy lejano, se van a agotar estos recursos que entregan la energía. A nivel global mayoritariamente se utilizan fuentes no renovables para producir energía. Como se aprecia en la figura 1, en los países de la OECD notamos un gran uso de los combustibles fósiles y en menor medida la energía nuclear. Mientras que la hidroeléctrica y las otras renovables no alcanzan a ser el 4% de la matriz energética.

Figu Figura ra 1. Fuen Fuente tess prin princi cipa pale less de ener energí gía a de los los país países es de la OECD OECD en 2008 2008.. Fuen Fuente te:: Agen Agenci cia a Internacional de Energía, “Key World Energy Statics 2009”.

Como se ha privilegiado el uso de fuentes no renovables de energía, pareciera pareciera que estas se están agotando y, en consecuencia, consecuencia, los precios suben. Lo anterior lo podemos ver en la figura 2 que muestra el aumento del precio del petróleo en el último tiempo.

Figura 2. Variación de los precios del barril de petróleo en dólares americanos. Fuente: Fuente: Agencia Internacional de Energía, “Key World Energy Statics 2009”.

Otra consecuencia del gran uso de los combustibles fósiles es que han aumentado las emisiones de dióxido de carbono en la atmosfera. Simplemente basta con echar una mirada a la figura 3, en la cual notamos un alza sistemática en las emisiones de este gas a la atmosfera atmosfera por parte del uso de carbón, petróleo y gas natural.

Figura Figura 3. Emisio Emisiones nes global globales es de dióxid dióxido o de carb carbon ono o discr discrim imin inad adas as segú según n su orig origen en.. Fuente: US Department of Energy.

Este gran incremento de la concentración de dióxido de carbono en la atmosfera trae como consecuencia que se incremente el efecto invernadero. El efecto invernadero se refiere al fenómeno por el cual determinados gases de la atmósfera retienen gran parte de la energía emitida por el planeta y evitan que se trasmita directamente al espacio; si no ocurriera este fenómeno, se provocaría un cont contin inuo uo enfr enfria iami mien ento to de la superf superfic icie ie terre terrest stre re e impe impedi dirí ría a la vida. vida. Lo que que actualmente ocurre es un sobrecalentamiento global, a causa de la excesiva acumulación acumulación de los gases de invernadero (CO2, H2O, O 3, CH 4 y CFC) provocada provocada por la activi actividad dad humana, humana, princi principalm palment ente e desde desde la revoluc revolución ión indust industrial rial por la quema de combustibles fósiles y la producción de nuevos productos químicos. Este Este sobrecal sobrecalent entami amient ento o global global produci produciría ría un cambio cambio climát climático ico y la probabl probable e desaparición de especies, incluso pudiendo llegar a afectar a la humanidad. En la figura 4 apreciamos el aumento de la de la temperatura, en las zonas de la Tierra, durante los últimos años.

Figura 4. Mapa de la evolución de la temperatura media anual del aire en los últimos de 50 años. Fuente: NASA GISS

Entonces, para poder evitar las catastróficas consecuencias que pudiera tener el calentamiento global, es necesario bajar el nivel de las emisiones de dióxido de carbono de cada país. Considerando esta situación, se han formulado una serie de acuerdos internaciona internacionales les como el protocolo de Kyoto que pretenden fijar normas entre los países firmantes a fin de reducir el nivel de sus emisiones de dióxido de carbono. Sin embargo, este protocolo no ha sido aceptado por todas las naciones y esta llegando al final de su vigencia. Es por eso que en diciembre de 2009 se realizará la cumbre de Copenhague, con el objetivo de crear un nuevo tratado que reemplace al de Kyoto. Para lograr que el incremento de temperatura en la Tierra no sea superior a los 2 grados Celsius, es necesario fijar el límite de las emisiones globales de dióxido de carbono en las 450 ppm (actualmente estamos en las 475 ppm). Según el “World Energy Outlook 2009”, hecho por la agencia internacional de energía, las emisiones deberían alcanzar su valor máximo en 2020 llegando llegando a las 30,9 GT (en

28 GT estamos actualmente) y de ahí en adelante empezar empezar a bajar hasta llegar a las 26,4 GT en 2030 [10]. Esto implica que se tiene que dejar de lado el uso de combustibles combustibles fósiles para producir energía energía y se tiene orientar la matriz matriz energética energética hacia las energías limpias.

Figura 5. Tendencia de las emisiones de CO2 en un escenario en que seguimos seguimos al ritmo actual (roja) (roja) y en un escenario en que apuntamos a bajar a las 450 ppm. Además, se muestra como se distribuiría la matriz energética en el primer escenario. Fuente: Agencia Internacional de Energía, “World Energy Outlook 2009”.

2. AEROGENERADOR Cuando empezamos empezamos a desarrollar desarrollar un proyecto proyecto es necesario preguntarse preguntarse el porqué de su implementación, el porqué llevarlo a cabo. La principal motivación para construir un aerogenerador es que este representa una forma de generar 

energía que no emite gases efecto invernadero a la atmosfera. Además, el recurso que utiliza para producir energía (el viento) es virtualmente inagotable y de libre disp dispon onibi ibililida dad. d. En este este capi capitu tulo lo especi especifificar carem emos os como como funci funcion ona a y como como se construye un aerogenerador.

2.1 Como funciona Antes Antes de cono conocer cer cómo cómo func funcio iona na una una turb turbina ina o gener generad ador or eóli eólico co es necesar necesario io conocer conocer sus princip principales ales compon component entes es a grandes grandes rasgos rasgos (luego (luego se detallarán mejor cada parte y sus funciones). Estos son: el rotor, las aspas, el generador y la torre donde se sostiene la turbina. Para comenzar con el proceso de generación de electricidad, el viento, que va con cierta energía cinética, golpea las aspas del rotor haciendo que el eje dond donde e se sost sostie iene ne rote rote,, conv convir irtitien endo do así así la ener energí gía a del del vien viento to en ener energí gía a mecánica. Esta energía es traspasada al generador. El generador capta la energía mecánica que viene de la rotación de las aspas y la convierte finalmente en electricidad. [11][12]

2.2 Partes que lo conforman Un sist sistem ema a de gener generaci ación ón eóli eólica ca está está form formado ado por por otros otros subsi subsist stem emas as menores que realizan una determinada función. A continuación enumeraremos los diferen diferentes tes subsist subsistema emass princi principal pales es que constit constituye uyen n un aerogene aerogenerad rador, or, para después pasar a describirlos más detenidamente. Góndola: Es una una estr estruc uctu tura ra metá metálilica ca dond donde e se mont monta a el gene genera rado dorr eléc eléctr tric ico. o. Usualmente, Usualmente, la góndola está construida a partir de perfiles perfiles estructurales estructurales de acero soldados y placas de fibra de vidrio. Su dimensión y peso depende de las cargas que debe soportar. Sobre esta estructura va colocada una cubierta general cuyo propósito es proteger a los componentes del sistema contra los efectos del medio ambiente. Rotor: Su función es convertir la energía cinética del viento en la energía mecánica que se utiliza para impulsar el generador eléctrico. Los subsistemas básicos que constituyen el rotor son las aspas y el buje. La fuerza del viento ocasiona que un rotor de eje horizontal gire a una cierta velocidad angular. El flujo eólico que incide sobre las palas de un rotor en movimiento depende, entre otros factores, de la relación entre la velocidad lineal de la pala y la velocidad del viento. [13] [14] [15] [16]

Palas: Las palas o aspas están fabricadas y diseñadas con el fin de alcanzar un balance óptimo en la captación eficaz de la energía del viento y lograr una mínima carga sobre la turbina, al mismo tiempo que un funcionamiento libre de problemas. Los materiales de construcción de las palas deben ser capaces de soportar las cargas máximas sin perjuicios al generador a lo largo de su vida útil, como también tener un peso mínimo para aminorar las cargas gravitatorias e inerciales, además de aminorar costos. Los materiales empleados para la construcción de las aspas son madera, acero, aluminio o fibra de vidrio. [13] [14] [15] [16] Buje: Es la parte que une las palas del rotor con el eje. Es el elemento donde se unen las palas y mediante el cual la potencia captada se transmite al eje principal. [13] [14] [15] [16] Eje: Conecta el buje del rotor al generador. Este gira y permite el funcionamiento del generador eléctrico. [13] [14] [15] [16] Generador eléctrico: Es una de las partes más importantes del generador eólico. Transforma la energía mecánica del eje, en energía eléctrica. Los generadores eléctricos más utilizados para la configuración de sistemas eólicos han sido los generadores asíncronos. Los generadores asíncronos son motores de inducción que se utilizan en forma inversa haciéndolos girar a una velo veloci cidad dad mayor mayor que que su veloc velocid idad ad de sinc sincron ronism ismo. o. Cuand Cuando o a un moto motorr de induc inducci ción, ón, conect conectad ado o a la red red eléct eléctri rica ca,, se le hace hace girar girar por por enci encima ma de su velocidad de sincronismo, mediante la aplicación de un par motriz en su eje de rotación, rotación, la potencia potencia mecánica mecánica aplicada se transforma transforma en energía energía eléctrica. eléctrica. A partir de la velocidad de sincronismo, la magnitud de la potencia eléctrica que se entrega a la red aumenta en función de la ocurrencia de vientos de mayor  intensidad. Actual Actualmen mente, te, cerca cerca del 95 % de los aerogene aerogenerado radores res comerci comerciale aless son sistemas sistemas de velocidad velocidad constante constante con generadores eléctricos asíncronos. asíncronos. [13] [14] [15] [16]

Torre: Parte del aerogenerador que soporta la góndola y el rotor. Su principal función es estructural. El grosor y la altura de la torre varían en función de las

características de la turbina. Por ejemplo, una turbina de 2000 KW tendrá una torre de entre 60 y 100 metros. [13] [14] [15] [16]

2.3 Procedimientos para construirlo Antes de la instalación del aerogenerador, el equipo encargado de su construcción debe hacer las evaluaciones de terreno, impacto visual, costos de la obra completa, impacto a la flora y fauna, entre otros. Una vez óptimos estos estudios, se procede a la construcción y emplazamiento del aerogenerador. Las piezas del aerogenerador son fabricadas en industrias dedicadas al tema de la generación eólica. Para Para comen comenza zarr la const construc rucci ción ón del del aerog aerogen ener erado ador, r, se cons constr truy uyen en los los cimientos donde irá emplazada la base de la torre, por lo que su firmeza debe ser  acor acorde de segú según n las las fuer fuerza zass que que actú actúen en sobr sobre e las las piez piezas as del del gene genera rado dor. r. A cont contin inua uaci ción ón,, se mues muestr tra a en imág imágen enes es las las etap etapas as de ensa ensamb mbla lado do de un aerogenerador: 1

2

3

1. La forma forma de construcció construcción n del aerogenerad aerogenerador or es a través del ensamble ensamble de las piezas con el uso de grúas. Las partes de la torre son llevadas a la zona de los cimientos del aerogenerador.- 2. y 3. Se van añadiendo las partes de la torre, y s on reforzadas con uniones con forma de tornillos. La grúa cada vez va subiendo más las piezas de la torre.

4

5

6

4. y 5. Una vez terminado el ensamblaje de la torre, se procede a la colocación de la góndola, con todas sus piezas dentro, sobre la punta de la torre. Esta etapa debe realizarse con mucha precisión, puesto que dentro de la góndola se encuentras las piezas más delicadas del aerogenerador.- 6. Una vez ensamblado la góndola con la torre, se procede a unir las aspas del aerogenerador en la zona del eje del generador por medio del buje.

7

8

9

8

9

7. Las aspas son unidas en tierra antes de ser ensambladas, y el rotor completo es unido en aire al eje.- 8. Para su ascenso a la punta de la torre, se utilizan 2 grúas para aminorar la tensión en los brazos de la grúa principal, en el momento del ascenso.- 9. Estructuralmente, el aerogenerador se completa al fijar la góndola a la torre. Sin embargo, queda el proceso de unión a transformadores y a la red eléctrica, así como la puesta en marcha de las partes electrónicas dentro del generador, como lo son los sistemas de seguridad.

3. CONSIDERACIONES DEL ENTORNO Ya habla hablamo moss de cómo cómo se confo conform rma a y del func funcio ionam namie ient nto o de nuest nuestro ro generador eólico, ahora es momento de indicar que consideraciones hay que tener  en cuenta al momento de instalarlo en un determinado lugar. La ubicación y el impac impacto to ambi ambient ental al relac relacio ionad nado o con con el aero aerogen genera erador dor son son los los tema temass que que se abordarán en el siguiente capítulo.

3.1 Ubicación Antes de poner en marcha un parque eólico, los promotores se aseguran de que que el luga lugarr disf disfru ruta ta de las las cond condic icio ione ness adec adecua uada das. s. Para Para ello ello,, estu estudi dian an previamente múltiples aspectos, aunque el más importante es, lógicamente, la velocidad del viento, ya que va a determinar la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en electricidad. A modo de referencia: con una velocidad de viento media de 6,75 m/s a la altura del buje, obtendrá alrededor de 1,5 millones de kWh de energía anuales. Para determinar la ubicación de una turbina de viento es necesario evaluar la velocidad del viento en el lugar donde, se quiere ubicar el generador eólico. Velo Veloci cida dades des de vient viento o bajo bajo los los 4 m/s m/s no gene genera ran n una cant cantid idad ad de ener energí gía a

sufi sufici cien ente te que que comp compen ense se las las pérd pérdid idas as de efic eficie ienc ncia ia en la gene genera raci ción ón de electricidad. Adicionalmente, se debe considerar el grado de turbulencias que puedan afect afectar ar el fluj flujo o del del vien viento to,, adem además ás que que dismi disminu nuye yen n la posi posibi bililida dad d de util utiliz izar  ar  eficazmente la energía del viento y provocan mayores roturas y desgastes en la turbina turbina eólica. Éstas ejercen una mayor tensión de trabajo sobre el rotor, lo que a la larga se traduce en una disminución de la vida útil de las turbinas eólica Además, un examen previo de carácter medioambiental, en el que se analizan multitud de factores (estudios geológicos de la zona, impacto de las obras y de los tendidos eléctricos, efectos en la fauna y flora, impacto visual, etc.) que determinan si el lugar elegido para situarlo es adecuado y las medidas correctoras que se deben deben realiza realizarr (restau (restauraci ración ón de la cubierta cubierta vegetal, vegetal, enterra enterramie miento nto de tendidos, etc.). [11]

3.2 Impacto Ambiental Algunos de los reproches de impacto ambiental son objetivos, aunque a veces se exageran y generalizan, pero son específicas de situaciones particulares. Otras son de carácter subjetivo y dependen en buena medida del ánimo de la opinión opinión pública. pública. Sin embargo, embargo, los efectos efectos negativos sobre el medio ambiente ambiente que producen la construcción y funcionamiento de un generador eólico son en general escasos, como veremos más adelante. Impacto sobre el suelo y la vegetación Consideraremos como impacto sobre la vegetación la equivalente a impacto por por eros erosió ión n del del suelo suelo.. La impor importa tanc ncia ia y sign signifific icado ado de la vege vegeta taci ción ón en la ident identifific icac ació ión n de los los impac impacto toss ambi ambient ental ales es radic radica a en ser, ser, por lo gener general al,, un elemento fundamental en la expresión de los ecosistemas. En la estimación de los impactos sobre la vegetación es preciso considerar  dos cuestiones: el valor de la vegetación presente en la zona en la que se va a llevar a cabo la obra, y la incidencia en ella de las operaciones de construcción y posterior funcionamiento. Impacto sobre las aves Otros aspectos criticados son las supuestas afecciones que causan a la flora y fauna, en especial a las aves. En este terreno, lo mejor es guiarse por los estudios estudios científicos, científicos, como los realizados realizados en la Comunidad Foral de Navarra entre marzo de 2000 y marzo de 2001. Estos estudios han determinado una tasa de colisiones de aves del 0,1%. Estudios semejantes realizados en Dinamarca han concluido que las aves se acostumbran rápidamente a los aerogeneradores, se “familiarizan” y desvían su trayectoria de vuelo para evitarlos. En el Acuerdo para la Cooperación en la Investigación y Desarrollo de Sistemas de Generación eólica, en el seno de la Agencia Internacional de Energía, se ha reportado lo siguiente: “Todos los países miembros continúan expresando su inquietud acerca de la posibilidad de mortalidad de aves (por operación de

centrales eólicas). La muerte de aves fue reportada como mínima y estudios llevados a cabo en varios países sugieren que los aerogeneradores no tienen impacto significativo en la vida de las aves, al compararse con otras actividades humanas. La Asociación Europea de Energía Eólica dice sobre este asunto: “Las turbinas eólicas, a pesar de su tamaño y de sus palas en movimiento, no prese present ntan an un probl problem ema a espec especia ial,l, de acue acuerdo rdo a lo encon encontr trad ado o en estu estudi dios os realizados en Alemania, Los Países Bajos, Dinamarca y el Reino Unido. Las líneas de transmisión de energía eléctrica presentan una amenaza mucho mayor que los aerogeneradores. La principal sociedad ornitológica del Reino Unido apoya los desarrollos eólicos ubicados y diseñados de manera sensata” Ruido La emisión de ruido acústico puede llegar a ser un inconveniente cuando los aerogeneradores se instalan cerca de lugares habitados. La figura 5 muestra un ejemplo de cómo disminuye el ruido que emite un aerogenerador en función de la distancia a su punto de instalación.

Figura 6. Nivel de ruido de un aerogenerador (en decibeles) según la distancia distancia del oyente. oyente. Fuente: Fuente: José Delgado, Delgado, “La energía eólica en la comunidad autónoma de la región de Murcia”

La figura 6 compara comparació ción n con el de otras otras fuente fuentes, s, con una comparación.

muestra una ruido ruido que se percibe percibe el fin de establ establecer  ecer 

Figura 7. Escala de ruido en decibeles. Fuente: José José Delga Delgado do,, “La “La ener energí gía a eóli eólica ca en la comunidad autónoma de la región de Murcia”

Impacto visual El impacto visual depende de la percepción de las personas. Para algunas los aerogeneradores son feos y deterioran el paisaje, mientras que para otras son agradables y representan una tecnología amigable al medio ambiente. Al igual que el prob proble lema ma de ruid ruido, o, el impa impact cto o visu visual al depe depend nde e de la cerc cercan anía ía entr entre e las las poblaciones y los aerogeneradores. En Nueva Zelanda, con relación a un aerogenerador instalado en una colina donde la mayoría de la población lo puede ver, se ha comprobado que: “El aerogenerador aerogenerador ha probado ser muy popular. Esta abierto abierto a visitas visitas durante todo el año año de 9 a 12 hora horass al día. día. Se cue cuenta nta con con ampl amplio io estac stacio ion namie amient nto o que normalmente está lleno los fines de semana durante el verano con gente que observa el aerogenerador, los paneles informativos y que disfruta de la vista de la ciudad y de la bahía. El aerogenerador es ahora una atracción pública y en los recorridos turísticos de Wellington se incluye su visita” [14][16][17].

4. MAQUETA El siguiente capítulo se refiere a las especificaciones de la maqueta que se construyó para representar al aerogenerador que pretendíamos hacer.

4.1. Materiales utilizados

Para confeccionar la maqueta utilizamos los siguientes implementos: -2 aspas de madera de terciado. -1 manilla de llave. -1 frasco de medicamento. -Cartón piedra. -1 tubo de cartón. -Silicona. -Tempera. -1 tabla de madera, 40x40 [cm]. -1 lapicera. -1 motor de 9[V]. -1 abrazadera. -2 tornillos. -1 cilindro de madera. -Cartón piedra. -Temperas.

4.2 Pasos para su construcción Primeramente, colocamos la tabla de madera como base del aerogenerador. Luego, clavamos el cilindro de madera en forma perpendicular en el centro de la base este soporte soporte nos servirá para sostener nuestro nuestro motor de 9[v]. A la vez elaboramos una caja de cartón piedra que se ocupo para ejemplificar una base de cemento donde va empotrada la torre (tubo de cartón) del aerogenerador. Con esta parte ensamblada, dimos paso a la construcción de la parte superior correspondiente a la góndola y las aspas. La construcción de las aspas fue en base de madera de terciado que fue siendo elaborada de acuerdo al diseño que escogimos. Mientras que el buje fue hecho con una manilla de puerta. La parte del generador esta comprendida por un motor de 9[v]; un lápiz seria nuestro eje y un frasco de medicamento, con un agujero en la base, representa a la góndola. Con estas dos partes armadas procedimos a ensamblarlas uniendo el buje con el eje. Posteriormente, enlazamos el frasco con nuestro tubo de cartón.

4.3 Plano de la maqueta

1 3

4

2

5

6

3

2 4

1

5

Figura 8. Medidas de la maqueta en centímetros. 1. Rotor, 2. Aspas, 3.Góndola, 4.Torre, 5. Base.

5. MEMORIA DE CÁLCULO En los capítulos pasados, hemos mencionado las características de nuestro gene genera rado dorr eóli eólico co.. Habl Hablam amos os prin princi cipa palm lmen ente te de su func funcio iona nami mien ento to,, de su constru construcci cción ón y del impact impacto o ambient ambiental al que conlle conlleva. va. Sin embargo, embargo, no hemos hemos hablado de las consideraciones desde el punto de vista de la física estática que se deben hacer al momento momento de instalar instalar una estructura estructura como esta. Eso será será a lo que nos dedicaremos en este capítulo.

5.1 Centro de masa del aerogenerador  Para calcular el centro de masa del aerogenerador necesitamos saber los centros de masa y la masa de cada una de las partes del aerogenerador. Como sabemos que el peso ejercido por cada una de las masas puntuales puntuales de una pieza del aerogenerador es equivalente al peso total de la pieza ejercida en el centro de masa, podemos considerar ese punto de la pieza para el cálculo del centro de masa del aerogenerador completo. Conocida la ubicación del centro de masa de cada pieza, basta con saber la masa de cada pieza, y podemos obtener el centro de masa del aerogenerador. Esto por medio de la siguiente ecuación:

n

∑r i mi 



r C .M . =

i n

∑ mi i 



r C .M . =













r torre mtorre + r aspaA m aspaA + r eje meje + r  generador  m generador  + r aspaB m aspaB + r  gondola m gondola + r buje mbuje mtorre + m aspaA + m eje + m generador  + m aspaB + m gondola + mbuje

5.2 Momento de fuerza del viento sobre el aerogenerador  Si queremos saber el momento de fuerza “τ” que ejerce el viento debemos conocer dos cosas: la distancia “r” del centro de masa del aerogenerador al eje de rotación (ubicado en el suelo en este caso) y la fuerza neta “F” que ejerce el viento sobre el aerogenerador. Nótese que nos hemos simplificado el cálculo gracias a que sabemos que todas las fuerzas paralelas, que ejerce el viento, sobre los distintos puntos del aerogenerador, ubicados a diferentes distancias; ejercen el mismo torque que la fuerza neta del viento sobre el centro de masa de la estructura. Anteriormente calculamos el centro de masa de nuestro generador eólico, por lo que nos resta conocer la fuerza que ejerce el viento sobre el aerogenerador. Luego el momento de fuerza que ejerce el viento sobre el aerogenerador  es: τ   = r cm 

× F neta 

τ   = r cm  F neta

sen θ  

5.3 Momento de inercia de las aspas Las dos aspas junto con el buje forman una sola pieza que rota con respecto a un eje que pasa por el centro de masa de la pieza y es perpendicular a la superficie de las aspas. Para conocer el momento de inercia de esta macro figura formada por las aspas y el buje, las dividiremos como si calculáramos el momento momento de inercia en rectángulos, rectángulos, triángulos triángulos y un cilindro (ver figura 8). A estas figuras les calcularemos sus momentos de inercia que ya son conocidos, gracias a que existen formulas que los determinan; y luego, los sumaremos para obtener el momento de inercia total.

Figura 9. Aspas y buje divididos como un cilindro (rosado), rectángulo (amarillo) y triángulos (gris claro y gris oscuro)

Consideremos que el momento de inercia de un rectángulo, con el eje de rotación que pasa paralelo a su base, esta dado por:  I  =

ma 2 3

+

md  2

Donde : I = momento

de inercia

a = longitud del rectangulo m = masa d = distancia de la base al eje de rotación

Luego, consideremos que el momento de inercia del cilindro, está dado por:  I 

mr  2 =

2

Donde : I

=

momento

de inercia

r  radio del cilindro =

m

=

masa

Finalmente, consideremos el momento de inercia del triangulo es:

 I  =

mb 2 6

+

md  2

Donde : I = momento de inercia b

=

m

cateto paralelo al eje de rotación

=

masa

d = distancia desde " b" hasta el eje de rotacion

A lo que queremos llegar es que el momento de inercia de la figura está dada por:  I TOTAL

= 2 I  R + I C  + 2 I T  + 2 I T  '

Donde I

:

= mom ento to

de

inercia

5.4 Velocidad angular de las aspas Podemos conocer la velocidad angular “ω” sabiendo la frecuencia “f” con la giran las aspas del aerogenerador. Esto, ya que la velocidad angular está dada por:   f  

ω  = 2π  

Con un contador de revoluciones podemos saber el número de ciclos por  unidad de tiempo que realizan las aspas del aerogenerador.

5.5 Energía cinética rotacional de las aspas La energía cinética que llevan las aspas del aerogenerador es del tipo rotacional, ya que el centro de masa de la pieza aspa-buje-aspa no se traslada sino que esta rotando por la acción de la fuerza externa que ejerce el viento sobre

ella. Si sabemos el momento de inercia del cuerpo y la velocidad angular con la que rota, nos será posible calcular la energía energía cinética cinética rotacional de dicho cuerpo. Anteriormente ya calculamos el momento de inercia de la pieza aspa-buje-aspa, y también también indicamos como obtener obtener la velocidad angular; por lo tanto, tenemos tenemos todo lo necesario para calcular la energía cinética rotacional. Ésta está descrita así:  E k  =

1 2

 I ω  2

6. CONCLUSIONES Para finalizar este trabajo podemos indicar a las conclusiones a las que hemos llegado tras realizarlo. Primeramente debemos decir que el gran uso de los combustibles fósiles para producir energía esta relacionado con el cambio climático. Podemos ver que las emisiones de dióxido de carbono, producto de la quema de los combustibles fósiles, han ido aumentando desde la revolución industrial; tal como se ve en la figura 3. Además, en la misma figura podemos ver que desde 1950 las emisiones de dióxido de carbono han empezado a aumentar a un ritmo mucho mayor que antes. Si relacionamos esto con los datos que se muestran en la figura 4, nos damos cuenta que la temperatura en algunos lugares del planeta ha subido hasta 3 grados en los últimos 50 años. Lo que más preocupa es que esas zonas de mayor aumento térmico son la península Antártica, Alaska y Siberia; es decir, regi region ones es pola polare res. s. Lo ante anteri rior or impl implic ica a que que el alto alto ritm ritmo o con con el que que han han ido ido aumentado las emisiones de dióxido de carbono en la atmosfera han hecho que se incremente el efecto invernadero, sobre todo en las zonas polares, lo cual

traería como consecuencia el progresivo derretimiento de los hielos y que causaría inundaciones en muchas partes del mundo. Por lo anterior, se hace clara la necesidad dejar de lado el uso de carbón, petróleo y gas; para dejar espacio a nuevas fuentes de energía limpia como la eólica. Por otro otro lado, lado, señala señalamo moss que que el peri period odo o 2010 2010-2 -2020 020 es decis decisiv ivo o para para solu soluci ciona onarr el prob problem lema a del del camb cambio io clim climát átic ico. o. Es clar claro o que que se deben deben toma tomar  r  acciones acciones y acuerdos acuerdos no más allá de este plazo, porque, porque, de lo contrario, pasará pasará lo que se ve en la figura 5. Esto es que se incrementarán fuertemente la cantidad de emisiones a un nivel descontrolado y que podría tener dramáticas consecuencias, las cuales se pueden evitar manteniéndonos con un nivel de emisiones bajo las 29 GT de dióxido de carbono. Postulamos Postulamos que la gente lo que realmente realmente quiere no son las energías, sino que que son los los serv servic icios ios que ella ella les les otorg otorga. a. Lo que que quie quieren ren las las perso persona nass son son viviendas confortables, luz y calor, alimentos cocinados, y la capacidad para ejercer fuerza, alzar pesos y desplazarnos con facilidad; independiente de cómo se obtengan esas cosas. Con respecto a la construcción de nuestro aerogenerador, podemos indicar  que para hacer un diseño que fuera más eficiente en la producción de energía, debemos poseer conocimientos a cerca del comportamiento de los fluidos, ya que con la física estática no basta para lograr un buen aprovechamiento del recurso eólico. Si quisiéramos quisiéramos llevar a cabo nuestro nuestro proyecto, proyecto, tendríamos, tendríamos, principalmente, principalmente, que llevar a cabo estudios de los viento en la zona. Habría que ubicarlo en un lugar lugar alto, alto, tener tener la preoc preocup upaci ación ón de que que el ruid ruido o emit emitid ido o no mole molest ste e a los los residentes y que la fauna y el terreno no se vean seriamente dañados.

7. BIBLIOGRAFÍA [1] http://exterior.pntic.mec.es/pvec0002 [2] http://www.ubp.edu.ar/todoambiente/empresasyambientes/energeticos.htm Energías limpias, Los molinos de viento, redescubriendo nuestras fuentes alternativas. Accesado en Internet en noviembre de 2009: [3]

[4] Energías Renovables y alternativas. Accesado en Internet en noviembre de 2009: [5] [5] Mini Minist ster erio io de mine minerí ría a de Chil Chile, e, “Geot “Geoterm ermia ia”. ”. Acce Accesa sado do en Inte Intern rnet et en noviembre de 2009:

[6] http://exterior.pntic.mec.es/pvec0002 [7] Ministerio de la industria, turismo y comercio de España. Accesado en Internet en noviembre de 2009:

[8] BCDF. Accesado en Internet en noviembre de 2009: [9] Pedro Méndez, “Origen biótico biótico del petróleo y los demás combustibles combustibles fósiles”. fósiles”. Accesado en Internet en noviembre de 2009: [10] Agencia Internacional de Energía, “World Energy Outlook 2009” [11] Energía Solar Solener Kyocera Distribuidor Chile http://www.solener.cl/index.php? option=com_content&view=article&id=58&Itemid=24 [12] Energias Renovables Planeta Neutro. Blog personal sobre las energias del futuro http://www.renovables-energia.com/2009/03/como-funciona-un-aerogenerador/ [13] Energias Renovables Planeta Neutro. Blog personal sobre las energias del futuro http://www.renovables-energia.com/2009/07/partes-de-un-aerogenerador/ [14] José Delgado, “La energía eólica en en la comunidad autónoma de la región de Murcia” [15] Partes más importantes de un Aerogenerador  http://eduhxcvive.blogspot.com/2009/04/partes-mas-importantes-de-un.html [16] Energía renovables para todos IBERDROLA http://www.energias-renovables.com/Productos/pdf/cuaderno_EOLICA.pdf  [17]Patricio Valverde Megías Consejero de Ciencia, Tecnología, Industria y Comercio http://www.argem.es/argem/images_argem/Publicaciones/P004.pdf  Fuentes de los gráficos •

Agencia Internacional de Energía, “Key World Energy Statics 2009”

• • •

NASS GUISS US Department of Energy . José Delgado, Delgado, “La energía eólica eólica en la comunidad autónoma autónoma de la región de Murcia”