Análisis, Diseño, Construcción y Optimización de Aerogenerador Para Micro-generación Eléctrica - Proyecto de Residencia Profesional -Oscar Isaias Garcia Torres - IIT- IEM - 08211089

2016

“Análisis, Diseño, Construcción y Optimización de Aerogenerador para microgeneración Eléctrica.

PROYECTO DE RESIDENCIA PROFESIONAL GARCÍA TORRES OSCAR ISAÍAS

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIJUANA | ING. ELECTROMECANICA

Departamento METALMECANICA COORDINACION DE ING. ELECTROMECANICA ING. JAVIER BORJA JEFE PROYECTOS DE VINCULACION ELECTROMECANICA ING. LUIS ALONSO GERARDO SANCHEZ

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIJUANA PROYECTO DE RESIDENCIA PROFESIONAL

“ANÁLISIS, DISEÑO, CONSTRUCCIÓN C ONSTRUCCIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE AEROGENERADOR PARA MICRO GENERACIÓN ELÉCTRICA.” ELÉCTRICA.”

GARCÍA TORRES OSCAR ISAÍAS 08211089

Tijuana, B.C. 1 DE SEPTIEMBRE DEL 2016


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AGRADECIMIENTOS Siempre será de mi suma importancia ofrecer el reconocimiento e invaluable gratitud a las personas y compañeros que me han apoyado en mi desarrollo académico, empírico, técnico y científico, ya que sin su colaboración y atención todo el trabajo investigación que he desarrollado independientemente habría sido imposible. Agradezco inmensamente a la M.C. Norma Olaechea del Olaechea del Instituto Tecnológico de Tijuana por su invaluable apoyo a lo largo del desarrollo de todos los experimentos y su pasión por la cultura del cuidado del medio ambiente, de igual manera pero no con menor importancia las atenciones del Ing. Juan Cortez y Cortez y del Ing. Juan Carlos Parra de Parra de la carrera de ingeniería electromecánica, a mis compañeros de la carrera Gandhi Tonatiuh Olaechea y David Zarate Enríquez, Enríquez , a mis Hermanos Andrés, Hermanos Andrés, Elías y Gunter García por sus importantes observaciones a mi Hermano mayor Matías García por García por sus valiosos consejos y experiencia en el desarrollo y dirección de proyectos, a la Srita. Lizeth Sinecio por Sinecio por su apoyo incondicional e invaluable presencia, a mi amiga la Ing. Shamarie Roque González por González por impulsarme a concluir este proyecto y sobre todo a las miles de personas increíbles a lo largo del mundo que a través de YouTube siguieron este proyecto a detalle desde inicio a fin. Por último, me gustaría a hacer extensivo mi más sincero agradecimiento a mis padres Oscar García y Cecilia Torres que Torres que durante toda mi vida me han forjado con lo mejor de su sabiduría y con el verdadero esfuerzo me han orientado sobre el camino correcto. Gracias….


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ÍNDICE

1.

Introducción ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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2.

Justificación -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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3.

Objetivos -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------a) Objetivos generales del proyecto b) Objetivos específicos i) Etapa 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de Aerogeneradores de baja capacidad. ii) Etapa 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial. iii) Etapa 3 – Construcción Construcción de generador eólico de imanes permanentes. iv) Etapa 4 – Construcción Construcción de generador eólico optimizado.

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4.

Caracterización del área en la que participo ------------------------------------------------------------------------------------

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5.

Problemas a resolver por orden de relevancia ---------------------------------------------------------------------------------

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6.

Alcances y limitaciones --------------------------------------------------------------------------------------------------------------a) Etapa 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de Aerogeneradores de baja capacidad. b) Etapa 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial c) Etapa 3 – Construcción Construcción de generador eólico de imanes permanentes d) Etapa 4 – Construcción Construcción de generador eólico optimizado

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7.

Fundamento teórico -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------a) Concepto de energía eólica b) Aerogeneradores – funcionamiento, partes y tipos i) Funcionamiento ii) Partes iii) Tipos de Aerogeneradores c) Diseño de las Instalaciones d) Aplicaciones e) Ventajas e inconvenientes f) Potencia de entrada y salida de un Aerogenerador

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8.

Procedimiento y descripción de las actividades realizadas -----------------------------------------------------------------a) Etapa 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de Aerogeneradores de baja capacidad ----------------------------------b) Etapa 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial -----------------------------------------------c) Etapa 3 – Construcción Construcción de generador eólico de imanes permanentes ----------------------------------------------d) Etapa 4 – Construcción Construcción de generador eólico optimizado ----------------------------------------------------------------

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9.

Resultados, planos, gráficos y programas. --------------------------------------------------------------------------------------a) Etapa 1 – 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de aerogenerador de baja capacidad. (i) Video del interior de un Aerogenerador de baja capacidad ------------------------------------------

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b) Etapa 2 – 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial (i) Video del procedimiento --------------------------------------------------------------------------------------c)

Etapa 3 – 3 – Construcción Construcción de generador eólico de imanes permanentes --------------------------------------------(i) Videos del procedimiento


1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

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Como construir un generador de imanes permanentes – Introducción Introducción ---------------Diseño en AutoDesk Inventor – Parte Parte 1 -------------------------------------------------------Diseño en AutoDesk Inventor – Parte Parte 2 -------------------------------------------------------Diseño y construcción del estator --------------------------------------------------------------Construcción de las bobinas de cobre ---------------------------------------------------------Conexión del circuito trifásico -------------------------------------------------------------------Ensamble de estator y bobinas ------------------------------------------------------------------Rotor de imanes de neodimio -------------------------------------------------------------------Rotor de imanes de neodimio – Parte Parte 1 ------------------------------------------------------Rotor de imanes de neodimio – Parte Parte 2 ------------------------------------------------------Rotor de imanes de neodimio – Parte Parte 3 ------------------------------------------------------Carcasa de aluminio -------------------------------------------------------------------------------Ensamble de maquina eléctrica-----------------------------------------------------------------Modificación opcional al estator ---------------------------------------------------------------Proceso de construcción de aspas – Parte Parte 1 -------------------------------------------------Proceso de construcción de aspas – Parte Parte 2 -------------------------------------------------Prueba de voltaje -----------------------------------------------------------------------------------Ensamble y montaje del generador ------------------------------------------------------------Instalación y montaje de prueba -----------------------------------------------------------------

(ii) Planos de construcción de piezas .PDF ------------------------------------------------------------------(iii) Archivos en AutoDesk Inventor 3D ------------------------------------------------------------------------d) Etapa 4 – 4 – Construcción Construcción de generador eólico optimizado --------------------------------------------------------------(i) Videos del procedimiento 1. Como construir un generador eólico eléctrico casero / Aerogenerador casero -----2. Como hacer generador eléctrico casero TIME LAPSE / Generador eólico casero / Aerogenerador --------------------------------------------- -----------------------------------------------------------------------------------(ii) Planos de construcción de piezas .PDF -------------------------------------------------------------------(iii) Archivos en AutoDesk Inventor 3D ------------------------------------------------------------------------10. Conclusiones y recomendaciones. ------------------------------------------------------------------------------------------------a) Etapa 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de Aerogeneradores de baja capacidad. b) Etapa 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial c) Etapa 3 – Construcción Construcción de generador eólico de imanes permanentes d) Etapa 4 – Construcción Construcción de generador eólico optimizado e) Conclusiones y recomendaciones generales

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11. Referencias bibliográficas ------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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INTRODUCCIÓN Este proyecto nace dentro del planteamiento del problema para una tarea de una clase impartida por la docente Norma Alicia Olachea del Instituto Tecnológico de Tijuana, la clase de tronco común de ingeniería electromecánica “TALLER DE INVESTIGACION I --- Ciclo escolar 2010”. Durante Durante esta clase buscábamos mediante una lluvia de ideas, resolver problemas serios de la sociedad, tales como contaminación ambiental, energéticos o económicos, mediante la aplicación de la ingeniería. Durante el curso analizamos temas selectos, como posibilidades de mejoras en vehículos eléctricos, generación de energía eléctrica mediante paneles solares, biomasa, hidrogeno, etanol o metano, también temas como captura de emisiones de dióxido de carbono o reforestación, además del tema consideramos puntos de suma relevancia, como la practicidad con el que proyecto debería ser ejecutado, los recursos económicos y técnicos necesarios, el impacto en que tendría en diferentes plazos y la factibilidad de ser replicado. Finalmente, para la evaluación del curso de manera individual decidí presentar el proyecto titulado “Construcción de generador eólico con materiales reciclados” el cual planteaba tal y como lo indica el título, utilizar materiales mat eriales reciclados o de fácil acceso para la fabricación de dicha maquina eléctrica y también por otra parte par te que el proyecto estuviese enfocado al beneficiario final, es decir el usuario que usara la energía. Si bien el proyecto solo consistía en el planteamiento teórico y conceptual, decidí dar un paso extra y construir una pequeña versión funcional utilizando este planteamiento, el cual cumplió el requisito para aprobar la asignatura sin embargo no se obtuvieron los resultados esperados en la práctica, esto dejo en mi la fuerte inquietud de concluir el proyecto hasta alcanzar resultados satisfactorios. Durante experimentos posteriores y fabricación de nuevos prototipos de alguna manera decidí subir uno de los videos a uno de los servidores web más grandes del mundo YouTube.com, mostrando tan solo resultados parciales, para sorpresa, ese sencillo video tubo numerosas visitas, comentarios y aceptación de interesados de habla hispana de todo el mundo, si bien este publico carecía de conocimientos técnicos específicos sobre la ciencia, aportaría importantes puntos de vista y críticas constructivas sobre las necesidades energéticas reales de personas de zonas rurales sin acceso a la electricidad, lo que transformo un simple proyecto de clase en un proyecto público de difusión de conocimientos técnicos en materia de construcción de aerogeneradores de baja capacidad y convertirlo en este proyecto de residencia profesional.


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JUSTIFICACIÓN Actualmente la demanda de energía eléctrica a nivel nacional y mundial va en aumento año con año de forma irreversible; irr eversible; de manera paralela pero no proporcional, el desarrollo de fuentes de energía renovable ayuda parcial y/o paulatinamente ante este incremento, principalmente de manera centralizada en grandes granjas eólicas y solares principalmente y gracias a la practicidad, competencia y desarrollo en el sector solar fotovoltaico, son cada vez más las aplicaciones descentralizadas de micro generación que participan en la generación mundial de energía, sin embargo, al ser menos eficiente y practica la mi cro generación eólica ha quedado rezagada hasta este momento. La eficiencia de la producción eléctrica de la energía eólica al igual que de la energía solar depende fundamentalmente del factor climatológico y geográfico de la ubicación específica de dicha instalación, por lo que el diseño y construcción deberían ser considerando como esencia fundamental en la fabricación de cualquier turbina eólica para micro generación tal y como se hace en las granjas eólicas de gran capacidad, sin embargo después llevar a cabo de manera practica la instalación de algunas turbinas comerciales y realizar realiza r un análisis de datos de especificaciones técnicas para el caso de diferentes marcas y fabricantes, se encontró que la mayoría utilizan como parámetro de generación máxima la velocidad del viento 0-15m/s, siendo este parámetro un margen fuera de las condiciones climatológicas de estándar mundial, lo cual impide obtener el máximo desempeño de la maquina eléctrica en cuestión, teniendo como producto comercial una maquina ineficiente y costosa. Al realizar un diseño y construcción de un Generador eólico de uso residencial cuya esencia de desempeño máximo sean los factores climatológicos estándar, considerando la velocidad del viento promedio como 0-7m/s, se podría aumentar considerablemente la eficiencia de la micro generación eólica y por ende al tener un mejor desempeño el costo-beneficio permitiría aumentar la competitividad en el sector.


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OBJETIVOS

a)

Objetivos generales del proyecto

Desarrollar un estudio de optimización mediante el análisis práctico y teórico de la construcción de un Aerogenerador para microproducción de energía eléctrica y ejecutar la construcción de prototipo aplicando mejoras.

b) Objetivos específicos i) Etapa 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de Aerogeneradores de baja capacidad. Durante esta etapa de evaluaran y se analizaran de manera teórica condiciones de diseño técnico y operativo de 10 aerogeneradores comerciales de baja capacidad flujo horizontal incluyendo la compra y desmantelamiento de al menos 1 unidad conforme a la intención de instalación y aplicación en México. ii) Etapa 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial De acuerdo al análisis y resultados de la Etapa 1 se llevará a cabo un test de rendimiento en túnel de viento para comprobar condiciones de operación de acuerdo especificaciones del fabricante. iii) Etapa 3 – Construcción Construcción de generador eólico de imanes permanentes Se diseñará y construirá Aerogenerador de imanes permanentes con el objetivo específico de replicar lo que comercialmente se ofrece y entender el proceso y costos de fabricación. iv) Etapa 4 – Construcción Construcción de generador eólico optimizado De acuerdo a los resultados obtenidos en las Etapas 1, 2 y 3 he 3 he identificado oportunidades de mejora y se diseñará y construirá Aerogenerador de baja capacidad optimizado.


CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA EN LA QUE PARTICIPO

Al ser este proyecto de residencia profesional un proyecto de investigación de propuesta propia el área de ejecución se realizó principalmente como trabajo de campo en diferentes ubicaciones y la parte teórica en domicilio residencial personal. 1. 2. 3. 4.

Laboratorio de metal mecánica del Instituto Tecnológico de Tijuana Domicilio residencial personal Investigación de campo en Playas de Tijuana B.C. México Investigación de campo en Otay universidad Tijuana B.C. México

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PROBLEMAS A RESOLVER POR ORDEN DE RELEVANCIA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Incrementar la eficiencia estándar de la micro generación eléctrica basados en el uso de aerogeneradores de baja capacidad aumentando la viabilidad económica de su uso y aplicación. Ampliar el rango de utilización por zona geográfica de la micro generación eólica a zonas con velocidad del viento donde antes la aplicación no era viable técnicamente o redituable económicamente. Disminuir el costo de fabricación promedio de un Aerogenerador de baja capacidad. Mejorar la técnica de construcción de un micro generador eólico. Promover el uso eficiente de la energía eléctrica. Promover el uso de energías renovables. Mejorar la calidad del aire. Mejorar la calidad de vida de la sociedad en general. Promover la tecnología.


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ALCANCES Y LIMITACIONES a) Etapa 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de Aerogeneradores de baja capacidad. Alcance: El Alcance: El análisis técnico y operativo comprende una unidad generadora de energía eléctrica basada en el uso del viento, es decir todo lo propio a su funcionamiento y operación, desde las aspas, hasta los cables por donde sale la corriente eléctrica, sea el caso N número de aspas. Siendo en todo momento una unidad que sea de construcción H orizontal, que utilice como medio de orientación or ientación un timón timó n y que produzca energía eléctrica. Se entiende que el análisis teórico de funcionamiento comprende el estudio de manera práctica analizando eléctrica y mecánicamente la construcción del aerogenerador de manera exterior he interna. Se entiende que el análisis de condiciones de uso y operación comprende únicamente y exclusivamente velocidad del viento v/s watts generados por unidad. Limitaciones: Se excluye en todo momento análisis sofisticados de piezas unitarias componentes de la unidad generadora como son estudios aerodinámicos es aspas, análisis de imanes, rodamientos, materiales etc. Limitando al estudio en la construcción de un todo. El análisis comprende el estudio de 1 unidad Aerogenerador de flujo horizontal sin importancia o relevancia la aplicación de carga de baterías, sistemas de interconexión de red, tipo de transmisión de energía, tipo de volt aje generado o cualquier otro accesorio que no pertenezca a la unidad generadora como un todo.

b) Etapa 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial Alcance: Comprende el uso de túnel de viento para medir el desempeño de un Aerogenerador de baja capacidad de acuerdo a las especificaciones técnicas del fabricante Watts / Velocidad del viento, utilizando instrumentos de medición básicos como lo son, voltímetro, amperímetro, watt metro y anemómetro. Limitaciones: Se excluye en todo momento análisis que no correspondan a un estudio básico de rendimiento de generación eléctrica generada, como son análisis aerodinámicos del rendimiento de las aspas individuales, o en conjunto. c)

Etapa 3 – Construcción Construcción de generador eólico de imanes permanentes

Alcance: Comprende la fabricación de un aerogenerador eléctrico de baja capacidad de acuerdo al estudio y an álisis de las etapas 1 y 2, basándose en el estado del arte de la construcción de aerogeneradores para uso aislado tipo isla o interconexión de red y abarcando todo lo que concierte a una unidad generadora. Limitaciones: Se excluye en todo momento la construcción de accesorios independientes internos o externos como pudieran ser: controladores de carga, rectificadores, medidores, baterías, imanes, inversores, interconectares de red o cualquier otro componente unitario que no corresponda a la construcción de un todo.

d) Etapa 4 – Construcción Construcción de generador eólico optimizado Alcance: Comprende la fabricación de un aerogenerador eléctrico de baja capacidad de acuerdo al estudio y an álisis de las etapas 1, 2 y 3 y conforme a los puntos identificados de oportunidades de mejora, quedando abierto a modificaciones en el diseño de construcción y numero de aspas, modificaciones en maquina eléctrica, proporcionalidades, dimensiones, o cualquier otra característica que beneficie la producción de energía eléctrica. Limitaciones: Se excluye en todo momento la construcción de accesorios independientes internos o externos como pudieran ser: controladores de carga, rectificadores, medidores, baterías, imanes, inversores, interconectares de red o cualquier otro componente unitario que no corresponda a la construcción de un todo.


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FUNDAMENTO TEÓRICO

e) Concepto de energía eólica La energía eólica tiene su origen en el viento, es decir, en el aire en movimiento. El viento se puede definir como una corriente de aire resultante de las diferencias de presión en la atmósfera provocada, en la mayoría de los casos, por variaciones de temperatura, debidas a las diferencias de la radiación solar en los distintos puntos de la Tierra. Las variables que definen el régimen de vientos en un punto determinado son: · Situación geográfica · Características climáticas · Estructura topográfica · Irregularidades del terreno · Altura sobre el nivel del suelo Sólo un 2 % de la energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía eólica y por diversos motivos, sólo una pequeña parte de esta energía es aprovechable. A pesar de ello, se ha calculado que el potencial energético de esta fuente de energía es unas 20 veces el actual consumo mundial de energía, lo que hace de la energía eólica eóli ca una de las Ilustración 1 Famosos Molinos Kinderdijk en Holanda de la era pre industrial fuentes de energía renovables de primera magnitud. La energía del viento es de tipo cinético (debida a su movimiento); lo que hace que la potencia obtenida del mismo dependa de forma acusada de su velocidad, así como del área de la superficie captadora. Desde hace siglos el ser humano ha aprovechado la energía eólica para diferentes usos: molinos, transporte marítimo mediante barcos de vela, serrerías, pero es en la actualidad cuando su uso es casi exclusivo para la obtención de electricidad. Las máquinas eólicas encargadas de este fin se llaman aerogeneradores, Aero turbinas o turbinas eólica s. En definitiva, los aerogeneradores transforman la energía mecánica del viento en energía eléctrica. f)

Aerogeneradores – funcionamiento, – funcionamiento, partes y tipos.

i) Funcionamiento El funcionamiento es el siguiente: el viento incide sobre las palas del aerogenerador y lo hace girar, este movimiento de rotación se transmite al generador a través de un sistema multiplicador de velocidad. El generador producirá corriente eléctrica que se deriva hasta las líneas de transporte. Para asegurar en todo momento el suministro eléctrico, es necesario disponer de acumuladores.


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ii) Partes Los elementos de que consta una máquina eólica son los siguientes:

Ilustración 2 Elementos de que consta una máquina eólica · Soportes (torres o tirantes) · Sistema de captación (rotor) · Sistema de orientación · Sistema de regulación (controlan la velocidad de rotación) · Sistema de transmisión (ejes y multiplicador) · Sistema de generación (generador)

Torre Es el elemento de sujeción y el que sitúa el rotor y los mecanismos que lo acompañan a l a altura idónea. Está construida sobre una base de hormigón armado (cimentación (cimentación)) y fijado a ésta con pernos. La torre tiene forma tubular y debe ser suficientemente resistente para aguantar todo el peso y los esfuerzos del viento, la nieve, etc. En su base está generalmente el armario eléctrico, eléctrico , a través del cual se actúa sobre sobr e los elementos de generación y que alberga todo el sistema de cableado que proviene de la góndola, góndol a, así como el transformador que eleva la tensión. En el exterior tiene escalas para acceder a la parte superior. El rotor Es el elemento que capta la energía del viento y la transforma en energía mecánica. A su vez, el rotor se compone de tres partes fundamentales: las palas (que capturan la energía contenida en el viento), viento), el eje (que transmite el movimiento giratorio de las palas al aerogenerador) al aerogenerador) y el buje (que fija las palas al eje de baja velocidad). Las palas son los elementos más importantes, pues son las que reciben la fuerza del viento y se mueven gracias a su diseño aerodinámico. Están fabricadas con resina de poliéster y fibra de vidrio sobre una estructura resistente, y su tamaño depende de la tecnología empleada y de la velocidad del viento. Góndola Es la estructura en la que se resguardan los elementos básicos de transformación de la energía, es decir: multiplicador, eje del rotor, generador y sistemas auxiliares.


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Multiplicador Es un elemento conectado al rotor que multiplica la velocidad de rotación del eje (unas 50 veces) para alcanzar el elevado número de revoluciones que necesitan las dinamos y los alternadores. Dentro de los multiplicadores se distinguen dos tipos: t ipos: los de poleas de poleas dentadas y los de engranaje. Multiplicadores de poleas dentadas. Se utilizan para rotores de baja potencia Multiplicadores de engranaje. En engranaje. En este tipo de multiplicadores los engranajes están protegidos en cajas blindadas para evitar su desajuste y desengrasado Aunque la mayoría de los aerogeneradores tienen multiplicador, existen algunos rotores que no lo necesitan. Sistema hidráulico Utilizado para restaurar los frenos aerodinámicos del aerogenerador. Eje de alta velocidad Gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por minuto (r.p.m.), lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina. Generador La función del generador es transformar la energía mecánica en energía eléctrica. En función de la potencia p otencia del aerogenerador se utilizan dinamos (son generadores de corriente continua y se usan en aerogeneradores de pequeña potencia, que almacenan la energía eléctrica en baterías) o alternadores (son generadores de corriente alterna). alterna). La potencia máxima suele estar entre 500 y 4000 kilovatios (kW). Mecanismo de orientación Activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta. Normalmente, la turbina sólo se orientará unos pocos grados cada vez, cuando el viento cambia de dirección. Controlador electrónico Tiene un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier disfunción (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el generador), automáticamente para el aerogenerador. Unidad de refrigeración Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además, Contiene una unidad de refrigeración de aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores enfriados por agua. Anemómetro y la veleta Se utilizan para medir la velocidad y la dirección del viento. Las señales electrónicas del anemómetro son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectar el aerogenerador cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/s (18 km/h). El ordenador parará el aerogenerador automáticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s (90 km/h), con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las señales de la veleta son utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador.  

iii) Tipos De Aerogeneradores Hay diferentes aerogeneradores: Aerogeneradores de eje horizontal: son horizontal: son los más utilizados. Deben mantenerse paralelos al viento, lo que exige una orientación previa, de modo que éste incida sobre las palas y haga girar el eje. Estos aerogeneradores pueden ser: - De potencia De potencia baja o media (hasta 50 kW): Suelen tener muchas palas (hasta veinticuatro).Se utilizan en el medio rural y como complemento para viviendas. - De alta potencia (más de 50 kW): Suelen tener como máximo cuatro palas de perfil aerodinámico, aunque normalmente tienen tres. Necesitan vientos de más de 5 m/s. Tiene uso industrial, disponiéndose en parques o centrales eólicas.


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Ilustración 3 Aerogeneradores de eje horizontal instalados en playas Australianas.

Aerogeneradores de eje vertical : Su desarrollo tecnológico está menos avanzado que las anteriores y su uso es escaso, aunque tiene perspectivas decrecimiento. No necesitan orientación y ofrecen menos resistencia al viento. El funcionamiento de este tipo de aerogeneradores es similar al de los de eje horizontal. El viento incide sobre las palas del aerogenerador y lo hace girar, este movimiento de rotación se transmite al generador a través de un sistema multiplicador de velocidad. El generador producirá corriente eléctrica que se deriva hasta las líneas de transporte. Para asegurar en todo momento el suministro eléctrico, es necesario disponer de acumuladores.

Ilustración 4 El aerogenerador de eje vertical más alto del mundo, en Cap-Chat, Quebec.


g)

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Diseño de las Instalaciones

En el diseño de una instalación eólica es necesario considerar tres factores: · El emplazamiento · El tamaño de la máquina · Los costes El emplazamiento elegido para instalar la máquina eólica ha de cumplir dos condiciones: el viento ha de soplar con regularidad y su velocidad ha de tener un elevado valor medio. Es necesario disponer de una información meteorológica detallada sobre la estructura y distribución de los vientos. Las mediciones estadísticas deben realizarse durante un período mínimo de tres años, para poder obtener unos valores fiables, que una vez procesados permiten elaborar: · Mapas eólicos: eólicos: proporcionan una información de ámbito global del nivel medio de los vientos en una determinada área geográfica, situando las zonas más idóneas bajo el punto de vista energético · Distribuciones de velocidad : estudio a escala zonal de un mapa eólico, que proporciona el número de horas al año en que el viento tiene una dirección y una velocidad determinadas · Perfiles de velocidad : variación de la velocidad del viento con la altura respecto al suelo, obtenido por un estudio puntual El tamaño de la máquina condiciona fuertemente los problemas técnicos. En el caso de las grandes plantas eólicas, el objetivo principal es conseguir unidades tan grandes como sea posible, con el fin de reducir los costes por kW obtenido, pero las grandes máquinas presentan problemas estructurales que sólo los puede resolver la industria aeronáutica. Para las pequeñas Aero-turbinas, el problema es diferente; el objetivo técnico principal es la reducción de su mantenimiento, ya que su aplicación suele estar dirigida a usos en zonas aisladas.

Ilustración 5 Construcción de cimentación para torre de energía eólica denominado Sierra de Juárez 1 localizada al oriente de la ciudad de Tecate BC. Mexico.

El coste, coste, si se desea producir energía eléctrica para distribuir a la red, es lógico diseñar una planta eólica mediana o grande, mientras que, si se trata de utilizar esta energía de forma aislada, será más adecuado la construcción de una máquina pequeña, o acaso mediana.

El tamaño de la planta eólica determina el nivel de producción y, por tanto, influye en los costes de la instalación, dentro de los que cabe distinguir entre el coste de la planta (coste por kW) y el coste de la energía (coste por kWh).


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h) Aplicaciones

· Energía mecánica: Bombeo de agua y riego · Energía térmica: Acondicionamiento y refrigeración de almacenes, refrigeración de productos agrarios, secado de cosechas, calentamiento de a gua · Energía eléctrica: aplicación más frecuente, pero que obliga a su almacenamiento o a la interconexión del sistema de generación autónomo con la red de distribución eléctrica.

i)

Ilustración 6 Molino de viento para bombeo de agua.

Ventajas e Inconvenientes Tabla 1 i)

Ventajas e Inconvenientes

Ventajas Energía Renovable, no emite CO2

Es gratuita he inagotable

Evita el usado combustibles fósiles, por lo que contribuye al cambio climático. Puede ser implementado en lugares donde no existe infraestructura de transmisión eléctrica.

Inconvenientes Una central energética basada en energía eólica requiere la instalación de múltiples aerogeneradores a lo largo de grandes terrenos, porque es costoso. Su uso depende fundamentalmente de condiciones climatológicas y geográficas por lo que su aplicación le limita a ciertas zonas. Contaminación acústica y visual. Requiere baterías para almacenamiento de energía


j)

Potencia de entrada y salida básica bá sica de un Aerogenerador

La potencia, P, de entrada, de un aerogenerador, va a depender de una serie de factores, como son: Velocidad del viento, v (m/s) Superficie de captación, S (m2) Densidad del aire, d (kg/m3) De la siguiente manera: P = 1/2 · d · S · v 3 Obteniendo un valor para la potencia en W Para obtener la potencia de salida, simplemente debemos tener en cuenta el coeficiente de aprovechamiento.

Ilustración 7 Curva de potencia típica en la generación eólica.

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PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES REALIZADAS a) Etapa 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de Aerogeneradores de baja capacidad. Para iniciar con este procedimiento se partió del primer punto, conocer el “RECURSO ENERGETICO EN MEXICO” es decir, valorar y medir cuales son las condiciones condici ones del viento para el uso he implementación de un Aerogenerador, basándonos en datos históricos y geográficos de velocidades del viento. De acuerdo al documento “Proyecto de evaluación del recurso del viento en México” del Laboratorio Nacional de Energía Renovable por sus siglas en inglés (EREL --- National Renewable Energy Laboratory) se encontró una clasificación básica c atalogada en 4 clases del poder del viento establecidas por los rangos de velocidad en en m/s medidos a una altura de 30m sobre la superficie del piso, que abarca desde 0 hasta 8.4 m/s o superior, siendo POBRE un POBRE un viento de 0 a 3.5, ÚTIL de ÚTIL de 3.5 a 5.6, BUENA de BUENA de 4.1 a 6.7 y EXCELENTE de EXCELENTE de 4.9 a 8.4 como media nominal. Cabe destacar que la información de dicha fuente es una evaluación preliminar de recursos de energía eólica de México, que produjo mapas para aplicaciones de escala de servicios públicos y r urales, se llevó a cabo como parte del proyecto de cooperación bilateral entre México y Estados Unidos para el desarrollo de la energía renovable que en teoría proporciona valiosa información necesaria para facilitar la comercialización de pequeñas turbinas eólicas y parques eólicos en México y sentar las bases a actividades subsiguientes de recursos eólicos como esta investigación.

Ilustración 8 Mapa de recursos energéticos del viento en México

POBRE ----------POBRE ----------- 0 a 3.5 m/s ÚTIL --------------ÚTIL --------------- 3.5 a 5.6 m/s BUENA ----------BUENA ----------- 4.1 a 6.7 m/s EXCELENTE ----EXCELENTE ----- 4.9 a 8.4 m/s


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Conociendo de manera efectiva las condiciones reales de la velocidad del viento en México por zona geográfica , podremos identificar aerogeneradores de baja capacidad disponibles en el mercado que se adapten a las necesidades de determinada ubicación, sin embargo, para no inclinarnos hacia un precio, marca o modelo, simplemente escogimos al azar 10 turbinas eólicas de menos de 3kw que estén disponibles a la venta en el mercado de internet, dando como resultado la siguiente tabla. Tabla 2 Aerogeneradores de baja capacidad comercialmente disponibles.

No.

Imagen

Marca y modelo

Capacidad en Watts

1

Aleko WG700

500W

Rango de operación en m/s 0 – 12.5 – 12.5

2

ISTA-BREEZE® i-500

500W

0-15

3

Air Primus Breeze 40

160W

0-12.5

4

Phoenix Max 550

550W

0-15

5

Windgenerator 48V/2000W iSTA Breeze®

2000W

0-12.5

6

Apollo MAX 800

800W

0-13

7

Eco-Worthy 450

450w

0-15

8

ALEKO® WG3000

3000W

0-14


20

9

ALEKO® WG1500

1200W

0-12

10

ALEKO® WM450

350W

0-14

Ahora bien, después de análisis algunos de los principales modelos de aerogeneradores comerciales de baja capacidad seleccionamos para profundizar esta investigación, el modelo #3 de la tabla “Air Primus Breeze 40” el cual tiene una capacidad máxima de 400w, en el rango promedio nominal generará según el fabricante 160w a un viento de 12.5m/s y midiéndolo en kilowatts/hr mensuales, 38 kWh/mensuales @ 12 mph / 5.4 m/s avg. wind speed.

Ilustración 9 Hoja de d e especificaciones técnicas Aerogenerador Air Primus Breeze 40


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Algunos detalles técnicos de la construcción de este aerogenerador, son que cuenta con 3 aspas que for man un diámetro de 1.15m ya ensamblados y también que la maquina eléctrica es de imanes permanentes, para mi sorpresa esto difiere con el marco teórico de esta investigación, ya que la construcción no corresponde a una técnica tradicional de turbinas eólicas de media y alta capacidad, detalles que se muestras en las siguientes fotografías.

Ilustración 10 Detalles técnicos del interior de un Aerogenerador Air Primus Breeze 40

Ilustración 11 Detalle del ensamble de las apas Air Primus Breeze 40


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Ilustración 12 Detalle de piezas Air Primus Breeze 40

Como se puede apreciar en la ilustración 10 y comparandola tecnicamente con ilustración 2 se puede identificar que una de las principales diferencias entre la construccion de un aerogenerador de baja capacidad y uno de media o alta capaciadad es el uso de una caja de cambios para controlar las RPM del generador, es decir en el caso de la contrucción de un aerogenerador de baja capacidad se omite el uso de un multiplicador de revoluciones, y al compararlos con otras versiones de aerogeneradores comerciales se identifica que tienen el mismo patrón de fabricación al igual que el listado completo de la tabla 2 de aerogneradores comercialmente disponibles.

Ilustración 13 Aerogenerador de 400w homólogo del Air Primus Breeze 40


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Como parte de este estudio, experiencia profesional y desarrollo personal en el aérea, se realizó la compra e instalación de 2 aerogeneradores de 400w y se procedió con dicha instalación en zonas de Tijuana baja california con estimación y percepción de una buena ubicación, siendo ambas zonas conocidas por un buen viento, con ello se pudieron obtener más detalles sobre el producto y naturaleza de su uso. Instalación #1 --- Carretera Playas de Tijuana

Al realizar la primera instalación sobre una colina a afueras de la ciudad de playas de Tijuana, Mx. a un costado de la carretera y a una altura estimada de 6 metros sobre el nivel del piso se obtuvieron resultados completamente nulos para la instalación de carga de 1 batería de 12v 60ah ciclado profundo, durante un lapso aproximado de 3 meses, y a pesar de estar en una ubicación completamente libre de obstáculos para el paso del viento directamente orientado a la playa el aerogenerador de baja capacidad de 400w de fabricación china genero 0w/hr.

Ilustración 14 Aerogenerador de 400w 12vAC homólogo de abricación china, instalado afueras de playas de Tijuana.

El generador utilizado para la instalación #1 a un costado de la carretera salida de playas de Tijuana fue el aerogenerador de baja capacidad Aleko 450w 12ac con conexión de salida trifásica para ser conectado a un controlador de carga de baterías. El generador cuanta con 5 aspas PRFV (Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio).

Ilustración 15 Aerogenerador Aleko 400w 12V AC u tilizado en la instalación de Playas de Tijuana

Ilustración 16 Vista de la instalación de Aerogenerador Instalado en Playas de Tijuana


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Instalación #2 --- Otay Universidad

Ilustración 17 Aerogenerador Air Primus Breeze 40 instalado en zona de Otay, Tijuana BC. México.

Al realizar la segunda instalación, en la zona de Tijuana Otay Universidad sobre el techo un domicilio residencial de 2 plantas a un costado de la subida 20 de noviembre – noviembre – otay otay universidad, ubicación completamente libre de obstáculos para el paso del viento se obtuvieron al igual que en la instalación #1 resultados completamente nulos para un sistema de interconexión de red a CFE. Eventualmente se presentó en la zona el fenómeno conocido como “Vientos de Santana” fenómeno cíclico a lo largo del año, el cual genera ráfagas de viento por en encima del promedio anual, esto pudo hacer funcionar la instalación y el aerogenerador produjo hasta 80w de manera intermitente durante momentos del día que la velocidad del viento era lo suficientemente fuerte, sin embargo, después de pasado los vientos de santana el generador dejo de funcionar, obteniendo resultados cercanos al 0kw/hr.

Ilustración 19 Aerogenerador de 400w instalado en Otay Universidad vista de altura.

Ilustración 18 Aeogenerador de 400w instalado en otay universidad detalle de vista suroeste

Tras pasados los meses sin resultados prometedores ambas instalaciones fueron retiradas y como último análisis de esta etapa se desarmo uno de los 2 generadores para un análisis técnico visual del interior, lo cual arrojo un descubrimiento importante, la apreciación visual y mecánica mecánica del “EFECTO CONTRA ELECTROELECTRO -MOTIZ” o Ley de Lenz, esto es, el efecto del campo magnético al tener una carga o estar en corto circuito. Al poder apreciar el efecto mecánico sobre la espiga que tenía el campo magnético al ser conectado al controlador de carga, inversor de interconexión de red o simplemente estar en corto circuito pudimos ver el efecto que esto tenía en el rotor, es decir la resistencia de giro que se produce en la punta de la flecha al producir energía eléctrica. Para documentar este efecto se realizó la grabación de un video detallado el cual muestra el efecto mencionado, publicado en YouTube titulado: Obstáculo de la energía libre LEY DE LENZ efecto contra electromotriz.


Ilustración 20 Detalles del procedimiento de desarmado de Aero enerador de ba a ca acidad

Ilustración 21 Detalles del procedimiento de desarmado de Aerogenerador de baja capacidad

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b) Etapa 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial. Eventualmente, después realizar la Etapa 1, conocer diferentes aerogeneradores de baja capacidad, así como su construcción, características de diseño y desempeño, se efectuó el análi sis en un túnel de viento, es decir, poner bajo condiciones de laboratori o uno de los aerogeneradores analizados en las tabla 2, para esto seleccione un modelo comercial un tanto popular en los resultados de búsqueda web, cuyo costo / watts es uno de los inferiores, el modelo seleccionado para ponerlo a prueba fue el aerogenerador Aleko Gudcraft WG700 700w AC 12V, 12V, de 3 aspas de plástico PVC reforzadas con fibra de vidrio o también denominado PRFV

(Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio).

Ilustración 22 Detalle de característi características cas técnicas ofrecidas por el proveedor Gudcraftonline

Ilustración 23 Fotografías de Aerogenerador Aleko 700w 12Vac WG700 utilizado en prueba de túnel de viento.


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La prueba se realizó en el laboratorio del departamento Metal Mecánica, del Instituto Tecnológico de Tijuana, utilizando el túnel de viento disponible, un variador de velocidad para controlar el flujo de aire, instrumentos de medición básicos y un equipo de 6 personas para operar, manipular y asistir el equipo. Durante el procedimiento se ensamblo el aerogenerador de baja capacidad y se montó sobre una base prefabricada para la prueba posicionándolo justamente frente al flujo de aire de salida del túnel donde la velocidad era mayor. Para realizar el presente análisis se utilizó como instrumentos de medición: 

   

Anemómetro Digital compuesto, estación de medición del clima inalámbrica Acurite. Interconector de red trifásico 10.8-30Vac 500W Resistencia térmica de divergencia. Analizador de potencia AC kill a watt Multímetro.

Durante la ejecución de la prueba, se realizó una instalación virtual simulando un sistema de interconexión de red mediante un tablero/ gabinete y medidor de energía.

Ilustración 24 Fotografía del procedimiento en curso Análisis de Aerogenerador en túnel de viento, viento, Instituto Tecnológico de Tijuana.

Al Utilizar el interconector de red como una carga resistiva de hasta 500w podríamos teóricamente someter el generador a una velocidad de 12.5m/s y obtener los resultados de generación eléctrica deseados y mostrados en los instrumentos de medición, sin embargo, durante el avance del procedimiento nos dimos cuenta de algunos detalles importantes. La velocidad del túnel de viento producida por el equipo del laboratorio estaba limitada a una cantidad por debajo de los parámetros de operación nominal del aerogenerador, es decir por debajo de 5 m/s. El gasto no era el adecuado para la prueba, es decir, la velocidad era únicamente a la salida exacta de la última sección circular del tubo, aproximadamente de 40cm de diámetro, y siendo el diámetro de las aspas 1.7m el flujo era insuficiente para obtener resultados apropiados y ni siquiera Ilustración 25 Variador de Velocidad AC T elemanique Altivar 5 Serie 45 2 mínimos para romper el estado reposo del generador incluso proyectando el flujo de aire de manera directa. Eventualmente como alternativa operativa, ideamos la forma de proyectar en diferentes ángulos el flujo del aire mediante un cono utilizando una lámina galvanizada y como resultado pudimos aumentar la velocidad del flujo disminuyendo el diámetro, lo que llevo a romper el estado de reposo del generador y llegar al menos a generar 18w como máximo durante la ejecución de la prueba lo cual alentó a todo el equipo y nos llevó a entender una percepción exacta respecto a la velocidad del viento que re quiere realmente un aerogenerador para operar. El procedimiento de esta prueba se documentó en video para fines de esta investigación y se encuentra publicado publ icado en YoTube con el título: Interconexión de red CFE Prueba de aerogenerador eólico.


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Ilustración 26 Fotografías durante la p rueba del aerogenerador sometido a test.

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c)

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Etapa 3 – Construcción Construcción de generador eólico de imanes permanentes.

Después de haber realizado un análisis de diferentes turbinas eólicas comerciales de baja capacidad, y someter a prueba una de ellas se realizó el planteamiento de la construcción de un Aerogenerador de baja capacidad replicando las condiciones de fabricación y diseño estándar identificadas mediante las pruebas. Para ello se determinó que una de las mejores alternativas era la construcción de un generador axial de imanes permanentes ya que su diseño facilitaría su construcción. Además de la selección del tipo de maquina eléctrica, se consideró el diseño y fabricación de las aspas, tomando como principal consideración aumentar el número de 3 a 5pz aplicando el principio del aérea de barrido, y finalmente se decidió construir un aerogenerador con las siguientes características:

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Tipo de generador: Imanes generador: Imanes permanentes Neodimio N45 Tipo de corriente: AC corriente: AC trifásica Numero de polos magnéticos: polos magnéticos: 12 Numero de bobinas: 9 bobinas: 9 Alambre magneto de bobinas: 17AWG bobinas: 17AWG Numero de espiras: 70 espiras: 70 espiras por bobina (3 hilos por bobina) Numero de aspas: 5 aspas: 5 Longitud de las aspas: 5 aspas: 5 pies Ilustración 27 Vista frontal de aspas

Material de las aspas: PVC aspas: PVC

Ilustración 31 Rotor de imanes permanentes

Ilustración 29 Estator trifásico

Ilustración 30 Ensamble de maquina eléctrica

Ilustración 28 Detalle de bobinas

Eventualmente se diseñó por completo la maquina eléctrica en AutoDesk Inventor 3D, se fabricaron las piezas y finalmente se ensamblo y se puso a prueba, cabe destacar que para todo el procedimiento se documentó mediante fotografías y video las diferentes etapas de construcción de las pz, detalles técnicos etc. Lo que llevo a un amplio entendimiento sobre el estudio de la materia y pudo arrojar conclusiones importantes descritas al final de este documento.


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LISTA DE COMPONENTES El generador eólico en tu totalidad está formado por 17 8 piezas entre las cueles se encuentran imanes, elementos que se deberán fabricar y tornillería. Para una construcción paso a paso adecuada se han dividido por secciones de acuerdo al procedimiento constructivo, los cuales se podrán comprar y trabajar por periodos determinados. Estos son: ESTATOR, ROTOR, CARCASA, SOPORTES, Y ELICES Y DIRECCIÓN. ESTATOR N/P

Pieza

Cantidad

1

Disco del estator

1

2

Núcleo de bobina

9

3

Cabeza de bobina

9

4

Tornillo cónico 8-32 x 3/8" Acero inoxidable

36

5

Tornillo cónico 10-24 x 3/8"

3

6

Alambre magneto esmaltado 17AWG--- 1Kg

1

ROTOR 7

Disco del rotor

1

8

Espiga

1

9

Soportes para rodamientos

2

10

Tornillo cónico halen 8/32" x 3/8" inoxidable

6

11

Imán de neodimio N42 8"DE 4"DI 1/4" GROSOR

12

12

Pegamento epóxido Steel Weld

1

13

Rodamiento de bolas 6/8 x 1-3/8 x 12mm

1

CARCASA 14

Disco de soporte

2

15

Espaciador

6

16

Tornillo 1-4 x 2" Acero inoxidable

6

17

Rondana de presión 1/4" Acero inoxidable

6

18

Tuerca 1/4" Acero inoxidable

6


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SOPORTE 19

Soporte al poste

1

20

Tornillo cónico 5/16 x 1-1/4" Acero inoxidable

4

21


4

22


4

23

Tuerca 5/16" Nylon Acero inoxidable

4

24

Tubo para aleta de dirección

1

25

Aleta de dirección

1

26

Tornillo 3-16 x 1-1/2" Acero inoxidable

4

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4

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4

ASPAS Y DIRECCIÓN 29

Aspas de PVC

5

30

Soporte de aspas

1

31

Tuerca Nylon 6-32" Acero inoxidable

1

32

Rondana plana Acero inoxidable ½”

1

33

Rondana de presión 1-2 x 20"

1

34

Tornillo 1-4 x 1" Acero inoxidable

10

35


10

36

Rondana 1/4" Acero inoxidable

10

37

Tuerca 1/4" acero inoxidable

10


34

FABRICACIÓN Y ENSAMBLE DEL GENERADOR Fabricación de la armadura del estator Como se mencionó anteriormente la construcción del estator es una de las etapas cruciales en la fabricación de un generador eléctrico ya que determinara en primera instancia la eficiencia neta del generador, la armadura del estator es la pieza que contendrá las bobinas de alambre magneto y a través de este manipulara y dirigirá el campo magnético del conjunto de imanes a través de cada una de las espiras. La armadura en su conjunto está formada por tres piezas diferentes:    

1 Placa principal de armadura de material ferromagnético 3/16”. 9 Cabezales de bobinas de material ferromagnético. 9 Núcleos de material ferromagnético (acero 4140). 32 tornillos de acero inoxidable 8/32 x 3/8” cabeza cónica.

Ilustración 32 Construcción del estator


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La placa La placa principal de armadura, armadura , deberá ser de material ferromagnético que puede ser maquinado sobre una placa de fierro o acero de 3/16”. El objetivo de esta placa es conectar el campo magnético entre ambas bobinas laterales y es de suma importanc i mportancia ia ya que cerrara el circuito magnético de toda la armadura.

Ilustración 33 especificaciones de la placa base del estator

Las cabezas de las bobinas son bobinas son 9 piezas individuales también echas de placa de fierro o acero, pero en este caso serán de menor grosor que la placa principal, pr incipal, el objetivo de estas placas individuales es capt urar el campo magnético de cada uno de los imanes y transmitirlo al núcleo de la bobina.


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Ilustración 34 Especificaciones de la cara metálica de la bobina.

Finalmente, los núcleos de las bobinas bobinas también serán fabricados de material ferromagnético preferentemente acero 4041 y deberá llevar las respectivas perforaciones roscadas para montarse en la placa principal y colocarle las respectivas cabezas de la bobina.

Ilustración 35 Especificaciones del núcleo de la bobina


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Por ultimo en la fabricación de las piezas de la armadura una vez que tengamos las piezas debidamente maquinadas deberemos aplicar un recubrimiento de pintura o esmalte acrílico de alto desempeño a todas las piezas metálicas para evitar que la corrección debido a la humedad y el contacto con la intemperie.

Ilustración 36 Fotografía de la armadura base del estator.

Ilustración 37 Fotografía de la aplicación de esmalte acrílico protector a piezas de la armadura.


Ilustración 38 Recubrimiento con pintura acrílica de armadura de estator.

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Ilustración 39 Recubrimiento con pintura acrílica de armadura de estator.

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Construcción de bobinas La construcción de bobinas, es el segundo paso en la ta rea de la construcción del generador eléctrico, y el procedimiento es muy sencillo a diferencia de bobinar otro tipo de generadores con armadura convencional de láminas de acero al silicio, gracias al particular diseño de piezas individuales de fácil ensamble y la particular geometría axial. Para llevar a cabo esta tarea deberemos tener la totalidad total idad de piezas que maquinamos anteriormente, así como son los 36 tornillos para ensamblarlos, una hoja de plástico aislante para evitar que la bobina entre en contacto con el metal, cinta aislante reforzada con fibras, pinzas de corte, guantes y lentes de seguridad, en total se estima que se utilizara 1Kg de alambre magneto. Para nuestro particular diseño de alta eficiencia Utilizaremos alambre magneto 17AWG y para enrollar cada bobina utilizaremos dos líneas individuales con el fin de poder utilizar alambre ala mbre magneto delgado como lo es el 17AWG 17 AWG y obtener el mayor número de espiras por sección del núcleo, pero a la vez tener la capacidad de amperaje de un conductor más grueso al sumar la capacidad de cada lín ea.

Ilustración 40 Fotografías del proceso de construcción de las bobinas.

Para esto utilizaremos como molde el ensamble de uno de los núcleos metálicos y dos de las placas cabezales de las bobinas. Lo primero que se debe tomar en cuenta es que es se suma importancia que el alambre magneto nunca entre en contacto con la armadura una vez ensamblados, ya que los filos del metal y la presión a la hora de armarlo puede ocasionar que se desgaste el recubrimiento de resina del alambre y entre en corto circuito. Para esto aislaremos el área del núcleo que estará en contacto con el alambre utilizando la cinta aislante reforzada con fibra, y recortaremos de la hoja plástica (puede ser una hoja de acetato, radiografía, etc.) dos triángulos con la forma similar de la cabeza de la bobina los cuales ensamblaremos junto con las otras piezas antes de comenzar a enrollar.


Ilustración 41 Detalles del proceso de construcción de bobinas.

Ilustración 42 Detalles del proceso de construcción de bobinas.

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Ilustración 43 Molde base utilizando las mismas piezas de la armadura para realizar las bobinas independientes.

Una vez que esté debidamente aislado el molde comenzaremos a enrollar el alambre magneto en el núcleo empezando por dejar al menos 6 pulgadas de alambre en las orillas para poder conectarlas posteriormente al circuito. Tomando las dos líneas de alambre magneto enrollaremos un total de 60 espiras, obteniendo por deducción 120 espiras.

Ilustración 44 Proceso de construcción de bobinas usando molde


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Ilustración 45 Proceso de construcción de bobinas usando molde.

Al llegar a las 60 vueltas, dejaremos nuevamente 6 pulgadas en ese extremo y continuaremos con el procedimiento, armaremos otro molde y terminaremos las 8 bobinas restantes.

Ilustración 46 Proceso de construcción de bobinas usando molde.


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Tras finalizar de enrollar la bobina quitaremos una de las placas cabezales de la bobina para finalmente colocarla en la placa principal de la armadura colocando también el respectivo plástico aislante y ajustándolos debidamente con los dos tornillos cónicos 8/32” y siempre teniendo mucho cuidado en no manipular agresivamente la pieza cuando este desarmada ya que la bobina podría perder su forma.

Ilustración 47 Vista de la bobina terminada dentro del molde.

Y continuaremos siguiendo el mismo procedimiento hasta concluir las 9 bobinas.

Ilustración 48 Vista superior del disco de la armadura y colocación de bobinas.


Ilustración 49 Estator con bobinas colocadas.

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Ilustración 50 Estator con bobinas colocadas.

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Conexión de bobinas La conexión de bobinas determinara en primera instancia el voltaje del generador eléctrico, el tipo de conexión más común es la conexión trifásica estrella, la cual permite incrementar el voltaje favorablemente aun teniendo bajas revoluciones. Además, este tipo de conexión es compatible con la gran mayoría de controladores comerciales de carga de baterías, por lo que será la más conveniente de utilizar, sin embargo, sería muy fácil cambiar el tipo de conexión por trifásico delta o incluso conexión en serie si lo desea, y experimentar con los resultados.

Ilustración 51 Diagrama de conexión de bobinas - Trifásico estrella.

Una vez que tengamos las nueve bobinas debidamente enrolladas y colocadas sobre la placa de la l a armadura, deberemos realizar la prueba de corto circuito para cada una de las bobinas, esto para comprobar que el alambre magneto no esté haciendo contact o con el metal de la armadura lo que ocasionaría el bajo desempeño del generador o incluso la pérdida total de energía generada. Para realizar dicha prueba utilizaremos un multímetro convencional en la opción de DIODO o CONDUCTIVIDAD colocando el lado negativo sobre un punto de la armadura metálica que esta descubierta de pintura, y el lado positivo del multímetro sobre cada una de las dos terminales de salida de la bobina, y en ningún caso el multímetro debe sonar, ya que si este emite el sonido de alerta significa que en algún punto el cobre está haciendo contacto directamente con el metal, y está en CORTO CIRCUITO.


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Ilustración 52 Proceso preventivo de verificación de falla a armadura.

Aprobado el test de corto circuito antes de realizar la conexión del bobinado, nuestra prioridad siempre será mantener aislado el cobre de la armadura por lo que el siguiente paso será colocar manguera termitita a las 18 salidas de las 9 bobinas con el objetivo de aislar los extremos de los filos de la armadura, antes de eso mediremos

Ilustración 53 Colocación de plástico protector termo contraíble.

Una vez que los dos extremos tengan debidamente su protección de plástico termo contraíble las interconectaremos entre si y soldaremos con el cautín, para esto seguiremos al pie de la letra el diagrama de conexión comenzando por el extremo de salida de la bobina # 1 que va interconectada con el extremó de entrada al núcleo de la bobina #3 y posteriormente el extremó de salida de la bobina #3 con el extremo de salida de la bobina#6 y así sucesivamente, Lijando los extremos del alambre magneto para


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retirar el esmalte de resina y enrollándolos con las pinzas para asegurar que no se suelten. Lo más recomendable para para ejecutar esta tarea es realizar los cortes de alambre magneto a l as distancias adecuadas entre las bobinas de cada una de las series, colocar el aislante termo contraíble, e interconectar entre sí, y finalmente soldar con el cautín, esto evitara, tener encendido el cautín durante un tiempo muy prolongado.

Ilustración 54 Proceso de soldadura de las terminales de las bobinas.

Al terminar el circuito entre cada una de los 3 circuitos uniremos la line de neutros, que significa unir las tres series ent re sí en uno de los dos extremos y para terminar las líneas utilizaremos Cable eléctrico #8 THW que serán las tres conexiones eléctricas que conectaran al generador el dispositivo de control, el objetico de utilizar cable eléctrico es por que ofrecerá la flexibilidad para la manipulación con el exterior, además deberemos aislar los puntos de unión que soldamos con cinta aislante o con otro pequeño extremo de aislante termo contraíble.


Ilustración 55 terminales trifásicas de salida de corriente eléctrica..

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Finalmente aislaremos las soldaduras de las tres líneas de salida, y amarraremos los tres cables con un cincho de plástico para evitar que se muevan independientemente.

Ilustración 56 Vista del estator terminado.


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Ensamble final de la armadura El ensamble final de la armadura junto con el ensamble de las bobinas se llamará ESTATOR, y será el componente que capturara la totalidad del campo magnético del disco inductor de imanes permanentes, es el producto del trabajo realizado en los pasos anteriores.


Como ultima consideración esta pieza deberá llevar 3 orificios roscados, indicados en los planos de fabricación del disco principal de la armadura, y la finalidad de estas roscas es poderlo montar sobre la carcasa metálica mediante tres tornillos cónicos 3/ 16” x 3/8”

Ilustración 59 Vista lateral del estator terminado y tornillos de sujeción a la carcasa.


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Fabricación y ensamble del rotor inductor El rotor inductor de un maquina eléctrica es la pieza que induce el campo magnético en el estator para producir la energía, en este caso nuestro rotor inductor es de campo magnético permanente, es decir para ello utilizaremos imanes permanentes de alto desempeño particularmente de Neodimio. el cual permite generar electricidad sin necesidad de baterías como a diferencia de los generadores de inducción suelen requerir al menos una fuente de energía externa para generar el campo magnético. Nuestro rotor de inducción está compuesto por un disco metálico de 8 pulgadas de diámetro y 1/8 de pulgada de espesor el cual conducirá el campo magnético posterior de un grupo de 12 imanes de neodimio N42 en forma de trapezoide que pegaremos con resina epoxi para metales, a la vez este disco deberá girar libremente montado sobre una espiga de acero inoxidable montada a la vez sobre dos rodamientos (baleros) como se muestra en la figura siguiente.

Ilustración 60 Vista isométrica del rotor de imanes permanentes.


Ilustración 61 Detalles del disco soporte de aspas.

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Colocación de imanes La colocación de los imanes en el disco inductor es una tarea sumamente delicada, debido a las consideraciones de seguridad que hay que tomar para evitar sufrir un accidente con los imanes ya que el campo magnético es tan fuerte que podríam os machucarnos con el imán y la placa metálica, además de la precisión que debemos tener para asegurarnos que los imanes queden colocados en la posición correcta. Para unir los imanes al disco del rotor usaremos pegamento usaremos pegamento epóxido para epóxido para metales, el cual mezclaremos sobre la superficie de los imanes que colocaremos.

Ilustración 62 Proceso de colocación de imanes en el disco.

Lo primero que debemos hacer es colocar una pequeña cantidad de pegamento sobre la superficie de la cara del imán y mezclar ambos reactivos hasta asegurarnos que son uno solo.

Ilustración 63 Detalles del pegamento epóxido utilizado.


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Posteriormente posicionaremos el imán en una de las 12 secciones de disco metálico del rotor y con mucho cuidado lo colocaremos verticalmente sobre el disco y después lo inclinaremos muy despacio hasta acostarlo por completo y lo mantendremos presionado en la posición correcta por unos segundos hasta que el pegamento seque lo suficiente para que el imán mantenga su posición.

Ilustración 66 Detalle de colocación de imanes.


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Después de haber colocado el primer imán tendremos el campo magnético que determinará la posición de los demás imanes, como cada uno de los imanes de alado deberá ir colocado de manera alternada, podemos deducir que 5 imanes más deberán ir colocados de la misma manera que está orientado el primer imán, pero dejando un espacio para los imanes que irán de l a manera contraria. Entonces saltándonos una posición colocaremos el el segundo imán de la misma manera que el primero, y sucesivamente sucesivamente hasta colocar los 6 imanes con la misma polaridad.


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Al colocar los primeros seis imanes de esta manera evitaremos que los imanes de atraigan sin control, ya que la posición del campo magnético es el mismo y no interactúa con los imanes de los lados, podemos esperar hasta que el pegamento pegue por completo y posteriormente colocar los imanes restantes con la posición contraria. Para determinar la polaridad del imán restante deberemos acercar una de las caras y el imán que colocaremos y la cara de atraerse con la de los imanes de los lados, es decir esa cara será la superior. Finalmente seguimos el mismo procedimiento para los imanes restantes.

Ilustración 69 Disco inductor con imanes colocados.

Una vez que ya hemos colocado los imanes, daremos una limpieza superficial con thiner para remover las impurezas de la superficie y aplicaremos una capa de pintura acrílica para evitar que la placa metálica se oxide.


Ilustración 70 Aplicación de esmalte acrílico como protector de corrosión.

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Ensamble del rotor inductor El rotor inductor por completo está formado por una espiga de acero inoxidable, el disco con los imanes permanentes y además se deberán considerar dos soportes son rodamientos para que el rotor gire libremente con las aspas.

Ilustración 71 Detalle de espiga.

Para ello mandaremos a fabricar un espiga con las características de diseño adecuadas para un correcto ensamble, además deberemos considerar que es importante que esta sea también del material apropiado al igual que los soportes de los rodamient os es decir, Acero inoxidable, al estar a la intemperie debe ser un material que evite la corrosión, si esta espiga es fabricada de algún otro material que no sea acero inoxidable rápidamente se oxidara, y difícilmente podremos despegarla de los baleros si necesitamos desarmarlo, además manchara las demás piezas con el óxido y disminuirá la vida útil del generador.

Ilustración 72 Detalle de rodamientos utilizados.


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Ya que tengamos las piezas, después de haberlas maquinado o recibido del taller colocaremos los baleros en ambos soportes, es importante que antes de mandarlos fabricar, le dejemos al maquinista uno de los baleros para que, de la tolerancia adecuada, de lo contrario el balero quedara demasiado ajustado inhabilitando la rotación o quedara tan chico que simplemente no entrara el balero y perderemos valioso tiempo reajustando la tolerancia.

Ilustración 73 Detalle de rodamientos utilizados.

La segunda tarea es colocar la espiga en el disco del imán permanente, esta tarea es muy sencilla debido a que simplemente entrara roscada gasta llegar al final, colocando entre el disco y la espiga un pequeño empaque circular de plástico para evitar que las vibraciones aflojen la rosca.

Ilustración 74 Detalle de colocación de espiga.

Por ultimo colocaremos la cuña de la espiga asegurándonos que entre a presión para evitar que se salga cuando el rotor gire, también podremos colocar silicón, o pegamento plástico para asegurar que no se salga la cuña por si sola.


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Ilustración 75 Detalle de colocación de espiga.

Ilustración 76 Fotografía que muestra la actualización del diseño del rotor de imanes permanentes.

Después de haber fabricado y ensamblado el primer modelo del rotor de imanes permanentes se presentaron distintos inconvenientes, como lo era la inclinación del disco soporte en la espiga debido a la alta fuerza de los imanes, el pequeño d iámetro de la espiga para soportar el conjunto de las aspas, el desplazamiento de los imanes contiguos, por lo que se reformo por completo el rotor siguiendo como base el primer pri mer diseño y se construyó un segundo disco base, en esta ocasión en una sola pieza más rob usta


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a la primera, como resultado se pudieron resolver los inconvenientes del primer diseño tal y como se muestra en las siguientes siguientes fotografías y tal y como se describe en los videos anexos a este documento.

Ilustración 77 Principales características del nuevo disco base soporte de imanes permanentes.

Tal y como se muestra en las Ilustraciones 77 y 78 el nuevo rotor de imanes permanentes está fabricado a partir de 2 piezas, el disco de soporte principal fue reformado a un disco de mayor grosor para evitar la flexión y asegurar la rigidez ante el excesivo campo magnético de conjunto de imanes, además se incluyeron moldes donde embonaran cada uno de los imanes y así evitar que se desplazaran sobre la superficie, cabe mencionar que este disco se fabricó a partir de un material completamente ferromagnético para cumplir las reglas básicas de electricidad y magnetismo. La espiga fue reformada también a un diseño de mayor diámetro, se agregó al final de la sección roscada un molde cuadrangular para el soporte de las aspas que evitara que gire angularmente desfasado de la rotación del disco de imanes, esta espiga fue construida a partir de una barra de acero inoxidable para evitar que las superficies expuestas a la intemperie se oxidaran. Ilustración 78 Principales características de la nueva espiga.


Ilustración 80 Detalle de la fabricación del disco de imanes permanentes en la fresadora.

Ilustración 79 Detalle de la unión de la espiga y el disco base.

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Ilustración 82 Detalle del proceso de colocación de imanes en el nuevo disco de imanes permanentes.

Ilustración 81 Nuevo disco de imanes permanentes terminado.

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Fabricación de la carcasa del generador En los pasos anteriores diseñamos, fabricamos y ensamblamos dos de los principales componentes de la maquina eléctrica que son rotor de imanes y el estator de bobinas, pero aún no está terminado el generador, para esto es necesario necesario colocar estas piezas de la manera apropiada para poder generar electricidad, esto lo aremos mediante la fabricación de una carcasa metálica que tendrá la función de contener el estator y el rotor, protegerá los componentes de la intemperie y permitirá colocarlo al poste o al soporte. El diseño de la carcasa es de la misma estructura que hemos utilizado anteriormente es decir de geometría axial, los cuales serán sencillos de maquinar, y permitirán un rápido ensamble.

Ilustración 83 Vista Isométrica de la carcasa del generador.

La carcasa estará compuesta por dos discos preferentemente de aluminio de 1/8” al seleccionar como material el aluminio evitaremos que el generador pese demasiado, evitaremos que se oxido y además será fácil de maquinar. Para unir ambos discos utilizaremos 6 tornillos de acero inoxidable de ¼” de grosor x 2.5” y sus respectivas turcas y rondanas de presión, y entre l as dos placas colocaremos unos pequeños espaciadores cilíndricos de aluminio con el fin de obtener el espacio adecuado para que el rotor de imanes gire libremente.


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Ilustración 84 Detalle de discos soporte.

Una de las consideraciones de suma importancia al momento de fabricar los discos inductores es la de asegurarse que las perforaciones para los 6 espaciadores y las 3 perforaciones para los soportes de los rodamientos coincidan en la misma posición en ambos discos, ya que un pequeño de desfasamiento en la posición ocasionara problemas al ensamblar el generador o incluso podría ocasionar que el rotor de imanes permanentes se incline unos cuantos milímetros y raspe el estator al momento de girar.

Ilustración 85 Detalle del maquinado en disco soporte.


Ensamble del generador eléctrico Después de haber fabricado todas las piezas del generador eléctrico descritas anteriormente, se ensamblo el generador de imanes permanentes o maquina eléctrica, para ello se unieron los componentes en un todo.

Ilustración 86 Fotografía del ensamble de la carcasa de aluminio del generador.

69


Ilustración 87 Fotografía de los componentes principales del generador.

Ilustración 88 Fotografía muestra el ensamble del estator antes de colocar el disco rotor de imanes permanentes.

70


Ilustración 89 Estator montado sobre soporte de carcasa de aluminio.

Ilustración 90 Carcasa frontal con tornillos espaciadores.

71


Ilustración 91 carcasa frontal y disco inductor de imanes permanentes.

72


Ilustración 92 Colocación del disco inductor en la chumacera del disco de la carcasa.

Ilustración 93 Ensamble final de la armadura frontal y el estator.

73


Ilustración 94 Generador de imanes permanentes completamente ensamblado.

74


75

Soporte al poste El soporte al poste es una pieza construida principalmente a partir de un tubo cilíndrico hueco de acero con pared de 3/16” pulgadas de grosor. Este soporte tiene 2 funciones principales:  

Sostener al conjunto generador, aspas y timón al poste. Permitir al conjunto generador y aspas girar 360° sobre su eje mediante la orientación mecánica automática del timón siguiendo siempre un estado completamente perpendicular al sentido del viento y así aprovechar al máximo las condiciones del clima.

Ilustración 95 Detalles de los planos del soporte al poste.

Ilustración 96 Fotografías del soporte fabricado.


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Cabe mencionar que el soporte al poste en su versión inicial mostrada anteriormente girara físicamente montado y acoplado sin ningún accesorio extra sobre un tubo interior con las dimensiones exteriores y tolerancia apropiada tal como se muestra en la ilustración 97, considerando en todo momento que el diseño propuesto es simplemente para fines didácticos y operativos del presente trabajo de residencia profesional, para una segunda versión se prevé la adición extra de un mecanismo de 2 rodamientos internos con la finalidad de garantizar un giro suave y libre de fricción excesiva entre el tubo poste / soporte al poste.

Ilustración 97 Detalle sobre el acoplamiento del soporte al poste y el generador eléctrico.

Adicionalmente al diseño del soporte se agregó internamente un rotor de anillos deslizantes trifásico con la funcionalidad de permitir un giro libre de 360° de los cables conductores del generador al poste, esto para evitar que los cables se enreden con los giros del conjunto generador sobre su propio eje. El componente cumple con las siguientes características 600v 30A max por conductor.

Ilustración 98 Anillos deslizantes para DC.

Ilustración 99 Generador montado sobre el poste.

Para la conclusión de esta etapa eta pa se montó el conjunto generador sobre el poste tal y como se muestra en la ilustración 99, el cual fue un tubo de aplicaciones hidráulicas de 2.5” pulgadas de diámetro, diám etro, montado a su vez sobre una base con ruedas para la facilidad de apreciación con fines didácticos. Los detalles completos de esta etapa de encuentran en el videos público de YouTube “Como construir un generador eólico de imanes permanentes PARTE 14”. 14” .


77

Construcción de aspas y disco soporte Para el inicio y diseño de la construcción de las aspas del generador eólico se consideró como principal fuente generalidades del sitio web online https://www.warlock.com.au/tools/bladecalc.htm el cual permite desarrollar un diseño especifico de acuerdo a las características solicitadas, en este caso y para fines del desarrollo de este proyecto de residencia profesional se consideraron generalidades principales como fueron Velocidad máxima s deseadas, donde 7m/s es el máximo, Numero de aspas, a spas, radio máximo de circunferencia del ensamble de las aspas y como resultado se obtuvieron los siguientes resultados: “Para las condiciones deseadas tomando prioritariamente la velocidad máxima del viento como 7m/s, 5pz de aspas y radio máximo de 1.2m (8pies de diámetro) se determinó que a 383.5 RPM, las aspas podrán proporcionar 293.5W de 293.5W de potencia mecánica máxima al generador tal y como se muestra en los resultados del software de la ilustración

Ilustración 100 Detalles de resultados obtenidos del software online para diseños del perfil aerodinámico de aspas.

Una vez realizado dicho análisis se procedió a la fabricac ión generalizada de las aspas a partir de un tubo de PVC HIDROSANIT ARIO CDR-35 CDR-35 de 8” siguiendo como modelo base el perfil per fil aerodinámico propuesto por el sitio web intentando intentando asemejarla lo más posible y al mismo tiempo permitiendo el uso práctico de dicha tubería. Para el proceso de fabricación de las aspas realmente fue un proceso sencillo, simplemente al trazar sobre la tubería el perfil deseado y posteriormente cortar mediante una maquina eléctrica la figura. Tal y como se muestra en las siguientes ilustraciones.


78

El modelo unitario de la aspa se diseño mediante Auto Desk inventor tomando como base la estruccion de un solido tubular de 8 ” asemejando la construccion exacta del tubo de aplicación hidrosanitaria SDR-385 PVC lo cual proyecto a su vez la sencilla contruccion tal y como se muestra en las siguientes ilustraciones.

Ilustración 101 Diseño base en AUTODESK INVENTOR para la construcción de las 5 aspas.

Ilustración 102 Diseño del perfil aerodinámico a partir de un tubo de 8" SDR -35 PVC para formar el aspa unitaria.


Ilustración 103 Detalles de construcción de aspas a partir de un tubo hidrosanitario de 8" DIA SDR35.

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Ilustración 104 Detalles de construcción de aspas a partir de un tubo hidrosanitario de 8" DIA SDR35

80



81



82


83

Ilustración 107 Fotografía de las aspas terminadas y montadas sobre el generador eólico.

Después de un proceso de construcción relativamente sencillo se obtuvo como resultado 5 aspas de PCV montadas sobre un disco le aluminio y adicionalmente se agregó un cono de fibra de vidrio con fines de optimización aerodinámica. El proceso de construcción de las aspas y montaje en el disco se encuentra en los videos públicos de YouTube 1 y 2 los cuales muestran todos los detalles técnicos de construcción y proceso. “Como construir un generador Eólico de imanes permanentes PARTE 12 FABRICACION DE ASPAS”. “Como construir un generador Eólico de imanes permanentes PARTE 12.1 FABRICACION DE ASPAS”.


84

Pruebas y fotografías Como parte final de la etapa de la construcción del generador de imanes permanentes se montó sobre una estructura tubular y poste de exposición a una altura sobre el nivel del piso de 75 pulgadas. Para ello se consideró las condiciones más básicas posibles de factibilidad de aplicación, por lo que se llevó a una zona abierta, pero de condiciones de velocidad del viento estándar en la zona de PLAYAS DE TIJUANA, B.C. MEXICO, específicamente el malecón con vista al mar, el cual realmente es una ubicación con clima muy agradable y vientos inferiores a los 4m/s. Para dicha prueba se utilizaron los siguientes componentes adicionales:    

Controlador de carga Hibrido EOLICO / SOLAR 12/24Vdc 1000w max. Batería de ciclado profundo 12v 35ah AGM Inversor de corriente 12V 3000W MAX. Cobra CPI 1575 2 Paneles solares 80w 12v policristalinos.

Ilustración 108 Fotografías de la prueba de montaje del generador de imanes permanentes en el malecón PLAYAS DE TIJUANA, B.C. México.


Ilustración 109 Fotografías del evento montaje del generador eólico de imanes permanentes.

85


86

Ilustración 110 Fotografías del evento montaje del generador eólico de imanes permanentes.

Los detalles completos sobre el montaje y puesta en marcha de esta pequeña instalación hibrida están en el video público de YouTube titulado “Como construir un generador Eólico de imanes permanentes PARTE 15 FINAL”. FINAL” . Cabe destacar que, si bien el proceso de instalación y puesta en marcha del sistema fue de manera muy generalizada, al llevarlo a cabo este proceso se identificaron importantes conclusiones que se expondrán de manera específica al final de este proyecto de residencia profesional.


87

d) Etapa 4 – Construcción Construcción de generador eólico optimizado. Como última etapa del desarrollo de este proyecto de residencia profesional y analizando las 3 etapas previas, es decir 1 – Análisis Análisis técnico y operativo de Aerogeneradores de baja capacidad, 2 – Análisis Análisis en túnel de viento de generador eólico comercial y 3 – Construcción de generador eólico de imanes permanentes, se determinaron importantes oportunidades me mejora técnica y operativa para rediseñar la construcción de un generador eólico de baja capacidad conforme a la expuesto en la introducción de este documento, que expone la optimización aprovechando velocidades del viento inferiores a 7m/s y detallado a continuación.

1.

2.

Dimensionar las aspas de acuerdo a la capacidad máxima de diseño estableciendo como 7m/s la velocidad máxima permisible permitiendo ampliar el área bajo la curva de generación eléctrica establecida en kw/hr tal y como se muestra en la ilustración 110. Sustituir la maquina eléctrica de imanes permanentes AC de construcción específica para energía eólica por una maquina eléctrica de fabricación estándar en otras aplicaciones, en este caso un motor DC de imanes permanentes.

Ilustración 111 Grafica de Área bajo la curva curva de Kw/hr - m/s de Aerogenerador estándar estándar y versión optimizada

De acuerdo a los 2 puntos mencionados anteriormente es decir el correcto dimensionamiento de las aspas del generador de acuerdo a la velocidad de la ubicación y la aplicación práctica de un motor DC como generador eléctrico, se propuso y diseño mediante Auto Desk Inventor un modelo de practica construcción de fines didácticos omitiendo consideraciones como


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clasificación nema, sistema de frenado, control de carga, factor de servicio, etc, en el entendido que el objetivo de la presente investigación es única y exclusivamente la optimización en capacidad de generación eléctrica, por ende se muestran en las siguientes ilustraciones las imágenes del modelo propuesto.

Ilustración 112 Detalle del soporte de las aspas y tornillería en Auto Desk Inventor generador eólico optimizado.


Ilustración 113 Detalle del ensamble en la placa base de los componentes del generador eólico optimizado.

89


90

Ilustración 114 Vista lateral del generador eólico optimizado.

Tal y como se observó en las imágenes anteriores el modelo fue basado en el montaje practico y sencillo de los componentes en una placa de aluminio anti-derrapante, basado en las experiencias de construcción del modelo de imanes permanentes realizado anteriormente. A diferencia del modelo anterior, el modelo optimizado omitió la construcción de la maquina eléctrica de imanes permanentes sustituyéndola por 2 motores DC de imanes, ambos mores dc permiten la generación de energía eléctrica al ser girada la espiga lo cual permitió realizar el proceso de ensamble en un tiempo realmente corto a diferencia del modelo anterior, se recalca que para poder utilizar estos motores como generadores se debió agregar adicionalmente un diodo barrera o diodo zener unidireccional con el fin de evitar la motorización al estar conectados al banco de baterías o controlador de carga. Iterativamente se consideró de manera primordial en el diseño las características operativas propias de cada motor para condicionar la relación POLEA ASPAS / CADENA / POLEA MOTOR establecidas anteriormente en el diseño de las aspas tal y como se define en la ilustración 100 estableciendo las RPM máximas de diseño a 7m/s como 383.5rpm y conociendo las RPM de operación máxima de cada motor en 2600 RPM se estableció la relación 1: 6.77 de las poleas del motor y generador, claro que se finalmente se estandarizo a lo disponible en el mercado se consideró las perdidas mecánicas para llegar finalmente a una relación de 1:9 entre ambas poleas.


91

LISTA DE MATERIALES No.

Componente

Cantidad

Precio unitario

Total

1

Generador eléctrico 24v 100w 2650rpm MY6812B

2

25

50

2

Rotor trifásico de anillos colectores 30A 380v 3 cables

1

15

15

3

Cadena 72 eslabones 18” largo scooter razor #25

2

8

16

4

Polea dentada pada cadena #25 98mm DIA 47dientes

2

8

16

5

Disco de aluminio plano 12”DIA ¼ espesor 5052-H32 5052-H32

1

40

40

6

Cojinetes en bloque vertical 5/8” UCP202-10 UCP202-10 CCA

2

7

14

7

Tonillo Espiga cabeza hexagonal 5/8-11” 5/8-11” x 7.5”

1

5

5

8

Lamina de aluminio anti-derrape 3003 24” x 36” 1/8”

1

40

40

9

Abrazadera U 3/8 x 2-1 – 2-1 – ½ x 3-5/8

4

1.90

7.60

10

Tuerca hexagonal 3/8 std 3272

8

0.035

0.27

11

Rondana de presión 3/8 (L)

8

0.022

0.18

12

Rondana plana 3/8 (L)

8

0.022

0.18

13

Abrazadera U 5/16 x 2-1/2 x 3-1/2 x 2

4

1.38

5.27

14

TORN ALLEN SOCKET INOX 5/16-18 X 1-1/4

15

0.76

11.40

15

TUERCA NYLON INOXIDABLE 5/16-18

31

0.50

15.5

16

ROND PLANA INOXIDABLE 5/16

15

0.21

3.12

17

TUERCA FLANGE 5/8-115/8-11

1

1.27

1.27

18

ROND PLANA SAE PLATEADA 5/8

2

0.17

0.33

19

RONDANA PRESION NEGRA 5/8

1

0.15

0.15

20

TUERCA EST PLATEADA 5/16-18

6

0.082

0.49

21


6

0.003

0.18

22


6

0.037

0.22

23

TORN HEX GR 8 EST ZINC 5/16

4

0.22

0.88

24

TORN HEX GR 5 EST NEGRO 5/16-18 X 3/4

6

0.12

0.72

25

TORN HEX GR 5 EST NEGRO 1/2-13 X 1-1/2

4

0.81

3.23

26

TUERCA EST PLATEADA 1/2-13

4

0.25

0.98

27


4

0.13

0.51

28


4

0.063

0.25

29

Tubo PVC sanitario SRD-35 SRD-35 8”x 5’

1

18.50

18.50

30

Cono fibra de vidrio 20cm DIA x 18cm altura

1

65.00

65.00

TOTAL

$332.23 USD


92

Eventualmente después de diseñar y adquirir los componentes enlistados anteriormente se procedió a reali zar la construcción del prototipo optimizado el cual se efecto en un lapso de 3 meses distribuidos en 5 hrs durante los 12 domingos de este lapso, adicionalmente se documentó en fotografía y video todo el proceso tal y como se muestra en las siguientes imágenes.

Ilustración 115 Componentes y materia prima para la fabricación y ensamble del generador eólico optimizado.


Ilustración 116 Bocetos iniciales del prototipo 2 Generador eólico optimizado.

Ilustración 117 Componentes presentados antes del ensamble final.

93


Ilustración 118 Inauguración del ensamble del 2do Prototipo.

94


Ilustración 119 Ejecución de perforaciones en la placa base del generador.

95


Ilustración 120 Indicaciones para la perforación en el disco soporte de aspas.

Ilustración 121 Perforaciones concluidas en el disco soporte de a spas.

96


Ilustración 122 Montaje de poleas dentadas en el disco soporte de aspas.

Ilustración 123 Montaje de Generadores DC en placa base.

97


Ilustración 124 Presentación de timón y alerón de aluminio anti-derrapante en placa base de componentes.

Ilustración 125 Presentación de generador eólico parcialmente terminado con componentes, timón de orientación y alerón.

98


Ilustración 126 Detalle de la placa base con componentes.

Ilustración 127 Detalle de la placa base con componentes.

99


100

Ilustración 128 Generador eólico optimizado parcialmente terminado.

A diferencia del proceso de construcción del generador de imanes permanentes el proceso del prototipo #2 fue muy sencillo y también mucho menos costo, como parte del programa fue una preparación previa y revisión del proceso por lo cual se obtuvo el resultado parcial esperado. Una vez concluida la primera etapa del prototipo 2, es decir el montaje y ensamble de componentes se efectuó el procedimiento de fabricación de las aspas, al haber obtenido resultados satisfactorios de esta etapa en el prototipo #1 se decidió realizar exactamente el mismo diseño mostradas en las ilustraciones 101 y 102.


Ilustración 129 Adquisición del Tubo Hidrosanitario PVC SRD-35 para la elaboración de las aspas.

Ilustración 130 Muestra de los cortes iniciales para el proceso de fabricación de una aspa untaría.

101


Ilustración 131 Detalle del corte inicial en el tubo de 8" de diámetro.

Ilustración 132 Detalle del corte de la aspa dibujada en el tubo de PVC.

102


Ilustración 133 Detalle del corte de la aspa dibujada en el tubo de PVC.

Ilustración 134 Detalle del extremo superior o punta de la aspa.

103


Ilustración 135 Detalle de perforaciones para soporte a l disco.

Ilustración 136 Aspas del generador eólico terminadas.

104


Ilustración 137 Fotografías del generador eólico optimizado ensamblado y montado en base de presentación.

105


106

Después un extenso trabajo teórico y práctico, se diseñó y fabrico un generador eólico prototipo de baja velocidad cuya característica primordial es el aprovechamiento de velocidades del viento inferiores a 7m/s que a diferencia de los aerogeneradores convencionales permitirá una mayor producción de energía eléctrica medidas en kw/hr al día, enfocado para áreas y zonas geográficas cuya velocidad promedio del viento no rebase este valor. El procedimiento de construcción y fabricación de este prototipo se documentó en video para YouTube, donde aparecen detalles específicos adicionales a este documento. 



Video 1 --- Versión detallada del proceso y construcción del generador. https://www.youtube.com/watch?v=6wHK7JwalB8 Video 2 --- Versión cámara rápida del proceso de construcción https://www.youtube.com/watch?v=CTGV2OPnFBU


RESULTADOS, PLANOS, GRÁFICOS Y PROGRAMAS. Documentos versión PDF      

Manual técnico de construcción prototipo 1 Planos de construcción prototipo 1 Archivos de diseño AUTO CAD y AUTO DESK INVENTOR prototipo 1 Manual técnico de construcción prototipo 2 Planos de construcción prototipo 2 Archivos de diseño AUTO CAD y AUTO DESK INVENTOR prototipo 2

Videos didácticos con procedimientos de construcción Prototipo 1 

























Video 1 --- Como construir un generador Eólico de imanes permanentes INTRODUCCION https://www.youtube.com/watch?v=jD_yLnldMpo Video 2 --- DISEÑO AUTO DESK INVENTOR PARTE 1 https://www.youtube.com/watch?v=ia5P4im-gwg Video 2.1 --- DISEÑO AUTO DESK INVENTOR PARTE 2 https://www.youtube.com/watch?v=7vN19PfeDTU Video 3 --- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL ESTATOR https://www.youtube.com/watch?v=g6ULEO4u0nQ Video 4 --- CONSTRUCCIÓN DE LAS BOBINAS DE COBRE https://www.youtube.com/watch?v=P9ncW3eQj-8 Video 5 --- CONEXIÓN DEL CIRCUITO TRIFASICO https://www.youtube.com/watch?v=FHzUsFkjuaI Video 6 --- ENSAMBLE DE ESTATOR Y BOBINAS https://www.youtube.com/watch?v=wbP10uw3uEQ Video 7 --- ROTOR DE IMANES DE NEODIMIO https://www.youtube.com/watch?v=VrS9ymwdQIY Video 8 --- ROTOR DE IMANES DE NEODIMIO ESPIGA PARTE 1 https://www.youtube.com/watch?v=6k2ZYAjsfSY Video 8.1 --- ROTOR DE IMANES DE NEODIMIO ESPIGA PARTE 2 https://www.youtube.com/watch?v=7lbaMolHOj8 Video 8.2 --- ROTOR DE IMANES DE NEODIMIO ESPIGA PARTE 3 https://www.youtube.com/watch?v=iybuZ2w5Rro Video 9 --- CARCASA DE ALUMINIO https://www.youtube.com/watch?v=cLaLuU96sQU Video 10 --- ENSAMBLE DE MAQUINA ELECTRICA https://www.youtube.com/watch?v=ZZMM6W9zPzs

107














Video 11 --- MODIFICACION OPCIONAL AL ESTATOR https://www.youtube.com/watch?v=1yl3B-JmClY Video 12 --- PROCESO DE CONSTRUCCION DE ASPAS PARTE 1 https://www.youtube.com/watch?v=7sSJ2iP7t40 Video 12.1 --- PROCESO DE CONSTRUCCION DE ASPAS PARTE 2 https://www.youtube.com/watch?v=IjTZR_TRFFU Video 13 --- PRUEBA DE VOLTAJE https://www.youtube.com/watch?v=r309fPIDBJY Video 14 --- ENSAMBLE Y MONTAJE MO NTAJE DEL GENERADOR https://www.youtube.com/watch?v=p59BrpnyjOs Video 15 --- INSTALACION Y MONTAJE DE PRUEBA https://www.youtube.com/watch?v=7uM7X5eRduE

Videos didácticos con procedimientos de construcción Prototipo 2 



Video 1 --- Versión detallada del proceso y construcción del generador. https://www.youtube.com/watch?v=6wHK7JwalB8 Video 2 --- Versión cámara rápida del proceso de construcción https://www.youtube.com/watch?v=CTGV2OPnFBU

108


109

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusión Fundamental 1.

Los resultados obtenidos producto de este trabajo de residencia profesional condicionaron finalmente de manera practica la construcción de un prototipo prot otipo con principios básicos que son la correcta proporcionalidad de las aspas respecto a la capacidad máxima de la maquina eléctrica generadora y de manera iterativa la correcta velocidad a la que el Aerogenerador de baja capacidad debe ser sometido para obtener el mejor rendimiento posible, de manera adicional el uso práctico de componentes estándar permitió reducir los costos de producción del prototipo lo cual será hincapié a la continuación de esta investigación y posiblemente la materialización de una versión comercial aplicando estos principios.

i)

Conclusión del Análisis en el túnel del viento Etapa 1

2.

Antes de realizar la ejecución del análisis en el túnel de viento del aerogenerador comercial ALEKO WG700 documentado en video para esta investigación la expectativa expectati va del producto era muy superior a los resultados obtenidos, es decir a pesar de haber obtenido resultados tal cual especificaba el fabricante en relación a los WATTS / VELOCIDAD DEL VIENTO, encontramos que el producto no está diseñado para la mayoría de zonas geográficas del mundo, ya que el rango de operación de generación eléctrica está muy por encima de la velocidad del viento promedio.

3.

Encontramos también que la percepción física de la velocidad del viento suele ser sobre estimada por en el consumidor o cliente final lo cual propicia un mal uso del equipo al asumir que una corriente corr iente de aire es fuerte o suficiente para el uso del aerogenerador sin antes realiza un determinado estudio utilizando los instrumentos adecuados o tomar en cuenta consideración adicionales como la altura requerida o el área libre alrededor de la instalación.

4.

A pesar de las observaciones de los puntos 2 y 3 se recomienda el uso de un Aerogenerador comercial para zonas con vientos superiores de los 5m/s como mínimo de estándar nominal histórico o para zonas donde la implementación de paneles solares de acuerdo a la radiación solar anual no sea factible.

5.

No se recomienda el uso de aerogeneradores eólicos comerciales de baja capacidad para la implementación en zonas domesticas residenciales urbanizadas principalmente por el bajo o nulo desempeño que podría tener y factores adicionales como ruido por frecuencia de las aspas, área de instalación y seguridad podrían ocasionar problemas futuros.

6.

Se considera la implementación de aerogeneradores eólicos comerciales en su versión vertical para el uso en zonas domesticas residenciales siempre y cuando se considere el desempeño real que este podría tener para fines didácticos, investigación o promoción tecnológica.

7.

Sin excepción alguna se recomienda la instalación he implementación de aerogeneradores eólicos comerciales sin un previo análisis histórico de la velocidad del viento de la zona geográfica en cuestión y altura mínima requerida.


ii)

110

Conclusión de la Construcción de generador eólico de imanes permanentes Etapa 2

8.

Aplicando la cita psico-analista “NADA ES ABSOLUTO TODO ES RELATIVO” se se determinó que la capacidad máxima de generación de un aerogenerador no depende de la estandarización del valor del viento máxima determinada internacionalmente como 12 o 15m/s ya que esto solo es solo una connotación de generalización, por lo que la capacidad máxima de generación eléctrica se pudo rediseñar correlacionando la capacidad mecánica de las aspas y la capacidad máxima de la maquina eléctrica de generación estableciendo como valor máximo 7m/s, es decir sobredimensionando las aspas conforme a lo establecido para que la producción de energía se adecuara a la velocidad del viento real disponible.

9.

Después de iniciar el proyecto en su segunda etapa y compartir los primeros vídeos tutoriales en el portal web YouTube hubo cientos y miles de personas interesadas alrededor del mundo en realizar una copia del generador eólico prototipo, principal y esencialmente países de bajos recursos o con acceso limitado a la energía eléctrica, entre ellos los principales países de habla hispana como: México, España, Puerto Rico, Perú, Colombia, Argentina, y demás países de Latino América, conforme avanzo el proyecto y el proceso de fabricación sur gieron complicaciones que abrieron una nueva necesidad por resolver, es decir la factibilidad con la cual el proyecto debería ser fabricado o reproducido, antes de concluir la segunda etapa fue evidente que a pesar de que se concluyera el prototipo, los materiales tales como imanes de neodimio y alambre de cobre magnético, taller de maquinado, serian de difícil acceso para el sector de mayor interés para esta investigación que es el sector rural o que no tiene acceso a la energía eléctrica.

10. El proyecto de fabricación de un generador eólico de imanes permanentes para esta investigación dio origen en la necesitad de satisfacer necesidades de energía eléctrica con la fuerza del viento, lo cual llevó consigo a una búsqueda web en saber de qué manera resolvían este problema las personas con esta necesidad, al seguir una fuerte tendencia de Aerogeneradores caseros de imanes permanentes y decidir realizar un prototipo de este tipo se asumió que era la mejor alternativa o método de fabricación, sin embargo después de terminar el prototipo se encontró que realmente los componentes principales con de muy difícil acceso, el procedimiento es complejo, costoso y finalmente ineficiente de no seguir un diseño ingenierilmente verificado. 11. Al fabricar una maquina eléctrica de imanes permanentes de manera absoluta se debe considerar la especialización que esto con lleva, ya que requieren estudios sofisticados de campo eléctrico, magnético, diseño, mecánica de materiales, etc. y al adicionalmente a esto agregar los costos del servicio especializado de maquinado y componentes especiales esta debió desarrollarse de manera independiente solo en el proceso especifico de la construcción de la maquina eléctrica con el fin de profundizar temas específicos de la materia y obtener los mejores resultados de rendimiento. 12. El proceso de ejecución de esta etapa comenzó en el supuesto que la fabricación de un generador eólico de imanes permanentes para uso doméstico sería una alternativa para competir con la energía solar, tras realizar la construcción y puesta en marcha del PROTOTIPO 1 y no obtener los resultados esperados se llegó a la prematura conclusión que el procedimiento de fabricación no habría sido el adecuado, lo cual mantuvo en incertidumbre por un tiempo prolongado e indefinido las verdaderas circunstancias de la l a ineficiencia del generador, después de realizar una prueba de desempeño en el túnel de viento del generador comercial y recapitula r resultados, fichas técnicas y datos de velocidad del viento r eal en diversas ubicaciones geográficas, se determinó que la tecnología de construcción de la gran mayoría de microgeneradores eólicos comerciales es inapropiada lo cual dio un giro al sentido original de investigación que era exclusivamente la fabricación de un generador de imanes permanentes de neodimio, creando oportunidades de optimización mediante la fabricación de un PROTOTIPO 2.


111

13. Finalmente, los resultados de la construcción de la maquina eléctrica de imanes permanentes no fueron los esperados, ya que su desempeño fue muy pobre energéticamente hablando comparados con otros generadores de imanes permanentes, esto principalmente debido a un mal diseño de la construcción del estator que ocasionaron el sobre calentamiento prematuro del material ferromagnético del núcleo de las bobinas y disco de soporte propio propi o del estator, por lo cual no se recomienda seguir como modelo de réplica este modelo a no ser que se use de base para una posterior mejora.

iii) Conclusión de la Construcción de generador eólico optimizado opt imizado Etapa 3

14. Al realizar con enfoque primordial la practicidad pra cticidad de construcción de este prototipo ofreció una reducción considerable el costo de materiales y tiempo de elaboración, lo cual a su vez pudo ofrecer resultados en un tiempo mucho menos prolongado desde la fecha inicial de programación del proyecto hasta el prototipo terminado. 15. Se comprobó que puede ser implementada una maquina eléctrica de aplicación general para la producción de energía eléctrica, siendo en este caso un motor eléctrico CD de imanes permanentes el cual fue aplicado para generación eléctrica, obteniendo beneficios adicionales como diseño estándar, características operativas de sencilla compatibilidad y precio económico. 16. Al realizar el análisis entre los motores / generadores eléctricos que podrían ser implementados en el aerogenerador optimizado se comprobó de manera empírica la correlación que existe entre las características técnicas operativas RPM / WATTS / VOLUMEN DE LA MAQUINA ELECTRICA, es decir entre mayor sean las RPM de operación respecto a los lo s WATTS 2 2 generados el volumen de la maquina eléctrica será menor directamente proporcional a la velocidad (RPM ) haciendo hincapié a la principal ecuación energética E=mc 2. 17. Los resultados generales de la construcción del generador eólico optimizado fueron satisfactorios, el prototipo se realizó en un tiempo relativamente corto, el proceso de ensamble no tuvo complicaciones, los precios de los componentes completamente accesibles y el desempeño de producción de energía eléctrica superior a la producción del primero prototipo echo de imanes permanentes y al generador comercial analizado en el túnel de viento por lo que se recomienda recomi enda su reproducción.


REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1.

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Análisis, Diseño, Construcción y Optimización de Aerogenerador Para Micro-generación Eléctrica - Proyecto de Residencia Profesional -Oscar Isaias Garcia Torres - IIT- IEM - 08211089

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