Construccion de Un Generador Eolico de Eje Vertical-Libre

5º Encuentro Regional de Investigadores y 4º Encuentro de Jóvenes Investigadores 16 y 17 Mayo 2013 CIESLAG- UAAANUAAAN- Unidad Laguna. Laguna.

Construcción de un Generador Eólico de Eje Vertical García de Haro Osvaldo, Solís Esquivel Román Ernesto, Hernández Téllez Rafael, Bautista García Alexis, Holguín Zavala Kesia Isabel. Universidad Tecnológica de Torreón. Programa Educativo en Mecatrónica. Carretera Torreón-Matamoros Torreón-Matamoros Km. 10 Ejido El Águila, Municipio de Torreón, T orreón, Coahuila.

Resumen Hoy en día la energía eólica es una de las opciones más eficientes para la generación de electricidad, a partir de energías renovables. Es por ello que en este artículo los autores desean compartir las experiencias obtenidas durante el diseño y construcción de un generador eólico de eje vertical partiendo desde un diseño asistido por computadora, incluyendo detalles de la creación de sus piezas, su ensamble y un sistema de monitoreo que permite conocer la variación existente, en tiempo real, de las revoluciones por minuto que está desarrollando el rotor, además de las lecturas del voltaje obtenido en el proceso de generación. El voltaje que se ha obtenido de las pruebas con el modelo del generador eólico, varía entre 12 y 15 volts, por lo que sólo puede utilizarse para tareas que requieran un mínimo de energía, pero que consideramos adecuado para disponer de él a un nivel de modelo experimental. A este modelo puede acoplársele una etapa de potencia con la cual estaríamos obteniendo aproximadamente de 120 a 125 volts. Palabras clave: Prototipo, energía renovable, movimiento rotatorio, modelo experimental, energía limpia, aerogenerador aerogenerador de eje vertical.

1. Introducción Las energías renovables solucionarán muchos de los problemas ambientales, como el cambio climático, los residuos radiactivos, las lluvias ácidas y la contaminación atmosférica. Las preocupaciones ambientales y políticas por un desarrollo sustentable han alentado el crecimiento de generación eléctrica a partir de energías renovables.

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La generación eólica es vista como una de las opciones más prácticas y con mejor costo-beneficio dentro de éstas. Cuando la construcción de este tipo de aerogeneradores es a gran escala y con varias unidades funcionando, la energía obtenida es la suficiente como para abastecer a una pequeña comunidad aunándole el hecho de que el aire es un recurso inagotable y no presenta costo alguno. Los beneficios de trabajar con la energía eólica a largo plazo son inmensos. El parque eólico Eurus en Oaxaca, México, cuenta con 167 aerogeneradores de 1.5 MW cada uno, con una capacidad de generación eléctrica de 250 MW, lo que proveerá el 25% de nuestras necesidades energéticas en México. Se estima que la energía que generará sería suficiente para abastecer a una población de medio millón de habitantes, reduciendo el equivalente a 600 mil toneladas de dióxido de carbono por año, aproximadamente el 25% de las emisiones totales generadas por una comunidad como la mencionada [1]. El estudio de las energías renovables está directamente relacionado con la ingeniería Mecatrónica y, a juicio de los autores como estudiantes de esta rama del saber, se tiene el compromiso de informar a la sociedad sobre estas nuevas alternativas de generación de energía eléctrica, así que el presente artículo pretende también destacar la importancia de los generadores eólicos verticales con la reproducción a escala de un prototipo para atraer el interés de grandes sociedades financieras y personas interesadas en el tema. 1.1 Principio de funcionamiento funcionamiento Debido a la forma que tienen las paletas (mismo concepto del ala de un avión), se genera una diferencia de presiones que produce la fuerza

de Instituciones de Educación Superior de la Laguna

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necesaria para desencadenar el movimiento rotatorio en el eje principal del generador eólico. El eje principal se acopla a un juego de engranajes para que la rotación del eje a la salida del tren de engranes sea apta para la generación eléctrica en el generador. En el generador se transforma la energía mecánica a energía eléctrica, y su principio de funcionamiento es básicamente el de un motor eléctrico conectado de manera inversa. Si a un motor eléctrico se le entrega electricidad, este entregará energía de rotación. Si a un generador se le entrega energía de rotación, este entrega energía eléctrica. Esta energía eléctrica va a un transformador, el cual eleva la diferencia de potencial para transportar la energía por los cables de transmisión de la manera más eficiente posible. 1.2 Características de un aerogenerador de eje vertical Un generador eólico o aerogenerador es un equipo que capta la energía cinética del viento convirtiéndola en energía eléctrica. A continuación, de describen las partes más importantes de un generador de este tipo.

frecuencia de 60 Hz, es decir, que cambia su polaridad 60 veces por segundo. Torre o base. Se refiere a la estructura en donde descansan todos los elementos mencionados anteriormente, debe estar correctamente bien plantada en el terreno para evitar accidentes o daños a los equipos.

2. Ventajas de generadores eólicos verticales y horizontales Debido a que cada tipo de aerogeneradores tiene un propósito y aplicación específica es necesario conocer las diferencias entre ambos. 2.1 Ventajas de Aerogeneradores de Eje Horizontal A continuación se describen las principales ventajas de los generadores eólicos de eje horizontal frente a los de eje vertical. Los de eje horizontal tienen un coeficiente de potencia (Cp) mayor.

Hélice. Es el sólido que permite captar la fuerza del viento y está girando sobre un eje vertical u horizontal produciendo un movimiento angular que es transmitido por el tren de engranes hasta el alternador.

Las plantas eólicas rápidas de eje horizontal presentan una velocidad de giro mayor que las de eje vertical, por lo que son más adecuadas para el accionamiento de generadores eléctricos que giran a 1000 o 1500 rpm.

Sistema de transmisión mecánica. Está compuesto del eje principal o eje de baja velocidad, la caja de engranajes y el eje de alta velocidad. El eje principal es el que transmite el torque aerodinámico del rotor al sistema del generador. La caja de engranajes es la que convierte la velocidad del rotor que es baja, a una velocidad alta para que un generador convencional pueda producir electricidad. El eje de alta velocidad es el que le entrega la potencia mecánica al generador directamente.

Las plantas eólicas de eje horizontal permiten barrer mayores superficies que las de eje vertical, por lo que alcanzan potencias mucho mayor.

Alternador. Es una máquina que genera energía alterna mediante el fenómeno de inducción electromagnética. Los alternadores están fundados en el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y el valor del flujo que lo atraviesa. Un alternador es pues, un generador de corriente alterna. Funciona cambiando constantemente la polaridad para que haya movimiento y genere energía. En nuestro país se utilizan alternadores con una


Los generadores de eje horizontal aprovechan el efecto beneficioso del aumento de la velocidad del viento con la altura respecto del suelo. La configuración de los de eje vertical impide alcanzar alturas elevadas y por lo tanto no pueden aprovechar este efecto. 2.2 Ventajas de Aerogeneradores de Eje Vertical En cambio, los generadores eólicos de eje vertical presentan las siguientes ventajas frente a los de eje horizontal. Dada su simetría vertical, no necesitan sistemas de orientación para alinear el eje de la turbina con la dirección del viento, como ocurre en los de eje horizontal.



Su mantenimiento es más sencillo, dada su poca altura con respecto al suelo. Cuando la planta eólica trabaja en una aplicación que requiere velocidad constante, no es necesario incorporar ningún mecanismo de cambio de paso.

Los materiales que se utilizaron para la elaboración de la hélice son madera y fibra de vidrio, donde la madera se utilizó como molde y la fibra de vidrio como recubrimiento, todo eso con el fin de tener un diseño más exacto.

Las plantas eólicas de eje horizontal son las más usadas en la práctica. Las eólicas de eje vertical se utilizan básicamente para investigación. Aprovechan mejor los vientos turbulentos y de baja altura, así como las irregularidades del terreno, las cuales incrementan la velocidad del viento. Funcionan de manera silenciosa, algo indispensable en lugares habitados, tanto urbanos como rurales. A diferencia de los de eje horizontal, se ponen en marcha con pequeñas velocidades del viento y son más resistentes a las ventoleras fuertes Su impacto ambiental es menor, las aves pueden evitarlos con más facilidad y no necesitan estar en espacios naturales para aprovechar la energía eólica.

3. Selección de hélice Para la conceptualización del prototipo construido, se creó el modelo 3D en Solidworks, para definir el dimensionamiento de las piezas y ensamble del generador. El tipo de hélices que se aplicaron, utiliza los principios de funcionamiento del aerogenerador Savonius, con la ventaja de que cada una de las caras realiza un giro de 180° a lo largo del eje, así la fuerza de empuje máxima no se pierde si no que se desplaza por la longitud del eje principal a medida que avanza una revolución.

Fig. 2. Molde de la hélice.

4. Sistema de transmisión El efecto de la caja amplificadora es el de aumentar las revoluciones del rotor del aerogenerador en un factor de 4.2. El material elegido para los engranajes de la caja amplificadora es nylamid, un plástico de aplicaciones industriales de óptimo desempeño mecánico y relativamente de bajo costo; tiene la ventaja de ser liviano y económico. Además, reduce también el ruido al momento de trabajar e implica un menor uso de lubricantes. El engrane conductor se encuentra acoplado directamente con el eje de la hélice y el engrane conducido se encuentra acoplado con el alternador que transforma esa energía mecánica angular en energía eléctrica.

Fig. 3. Trasmisión de engranes.

5. Medidas de estructura Fig. 1. Esqueleto en modelo 3D.


Los materiales empleados en la estructura se seleccionaron con el fin de que resistiera la fuerza del



viento, al igual que las vibraciones provocadas por la misma. También se utilizó madera para crear la caja de engranes donde se colocaron los engranes, alternador, batería, circuitos y una tarjeta controladora denominada Arduino.

Fig. 5. Límites de Betz

7. Adquisición de datos Fig. 4. Medidas de estructura.

6. Energía del viento Para comprender el comportamiento de la potencia de una masa de aire (viento) que se desplaza con una cierta velocidad por unidad de superficie, se emplea una ecuación que define la potencia teórica del generador,

Pm

1

3

(1) 2 Se puede notar que los factores que definen a esta potencia son: Donde: P : Potencia [W] : Superficie [m2] 3  : Densidad del aire [kg/m ] : Velocidad del viento [m/s]. m

Existe un factor que no está completo en la fórmula anterior (1) y que se conoce como límite de Betz. Ese científico alemán demostró que la máxima energía recuperable con un aerogenerador ideal es igual al 60% de la energía total [2].


En el monitoreo del voltaje y de las revoluciones por minuto [RPM] se utilizó LabVIEW, un software muy usado en la automatización de procesos, que constituye una herramienta fundamental para el control y monitoreo de un sistema. LabVIEW (acrónimo de Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) es una plataforma y entorno de desarrollo para diseñar sistemas, con un lenguaje de programación visual gráfico. Recomendado para sistemas hardware y software de pruebas, control y diseño, simulado o real y embebido, pues acelera la productividad. El lenguaje que se utiliza es lenguaje G, donde la G simboliza que es lenguaje Gráfico. Para tener una comunicación con el software se empleó una tarjeta adquisitoria de datos, mediante la cual se recolectaron los datos del aerogenerador y así visualizarlos en LabVIEW. En seguida se describe dicha tarjeta cuyo nombre es Arduino. Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinarios. El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. Los microcontroladores más usados son Atmega168, Atmega328 y Atmega1280 por su sencillez y bajo costo que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje Processing/Wiringy y el cargador de arranque (boot loader) que corre en la placa.



8. Análisis de resultados Durante las pruebas que se realizaron al generador eólico, se obtuvo el número de revoluciones por minuto [RPM], el voltaje de salida en la batería y teóricamente la potencia obtenida del prototipo variando la velocidad del viento . Los datos adquiridos se visualizaron en un panel de LabVIEW, donde se utilizó una interfaz LabVIEW-Arduido en tiempo real con el fin de aproximar los resultados con más precisión.

obtuvieron valores superiores a los 12 volts y menores a los 15 volts, indicando que el sistema de carga del prototipo está funcionando correctamente. Respecto al número de vueltas del eje principal, éste alcanzó hasta 167 revoluciones por minuto [RPM] sometiendo al sistema generador a una velocidad como la que llevaría un automóvil viajando a 35 km/h, pero este dato sólo fue para el movimiento del eje principal, ya que el prototipo cuenta con un sistema de trasmisión con una relación de 4.2; esto significa que el número de revoluciones por minuto que está recibiendo el alternador seria de 701.4 RPM con una potencia teoría de aproximadamente 300W, de modo que aplicando el límite de Betz basados en un generador Savonius sería de 75.8 w, donde se considera que este prototipo supera el rendimiento de un generador de esta clase.

Fig. 6. Pantalla de Monitoreo de Generador Eólico

Fig. 8. Grafica de diferencia de potencial

9. Conclusiones

Fig. 7. Diagrama de bloques para lectura de datos.

En un sistema electromotriz, la forma para saber si un sistema de carga está funcionado correctamente es, que al arranque del sistema de carga del automóvil tengamos un voltaje superior a las 12 volts y menor a los 15 volts en la batería.

En varios países desarrollados están explotando cada vez más el recurso eólico, invirtiendo enormes recursos económicos en ello. Sin embargo, esta práctica no es exclusiva de los países de primer mundo. La India, país de grandes contrastes sociales, es el mejor ejemplo de ello, apostando fuertemente a la explotación de este recurso natural como fuente permanente de energía. Se tiene la esperanza que India no resulte ser la excepción que confirme la regla, sino la inspiración para que otros países en vías de desarrollo (como el nuestro) impulsen la creación de una plataforma científica, económica y legal que promueva la explotación de este recurso renovable, limpio y gratuito.

Considerando esta información fue posible diseñar pruebas del prototipo construido, donde se CIESLAG – Comunidad



El objetivo general de este trabajo es contribuir al desarrollo de la explotación de la energía eólica en nuestra región, como fuente de generación de electricidad en aplicaciones aisladas de pequeña escala. Esto, gracias al desarrollo de un prototipo de aerogenerador de eje vertical de bajo costo que cumpla con requisitos básicos de diseño mecánico, elaborado con materiales que tenemos a nuestro alcance, integrando una interface la cual permite monitorear las revoluciones por minuto que está desarrollando el sistema generador así como el monitoreo del voltaje que éste arroja.

A lo largo del desarrollo del prototipo nos percatamos que entre más chico es el diámetro de las hélices obtendremos más giros y como un resultado de mayor eficiencia. Es conveniente agregar que el desarrollo histórico de la explotación de la energía eólica proporciona una visión general de los problemas que se han presentados a lo largo de los años y que han sido resueltos con el tiempo, la experiencia y la nuevas tecnologías. De esta misma manera se ofrecen antecedentes que intentan explicar el constante incremento de interés que el recurso eólico ha adquiridos en los últimos 15 años. Se observa una clara tendencia a desarrollar la explotación de los recursos renovables, por un lado por el agotamiento de los combustibles fósiles y por el otro, la preocupación por la alteración climática que está sufriendo el planeta por el denominado efecto invernadero.

Referencias

Fig. 9. Generador eólico vertical - prototipo terminado.

El aerogenerador por cuestiones de tiempo y climatológicas fue probado sobre la caja de una camioneta para simular la fuerza del viento, al ir a una velocidad de 20 km/h el prototipo empezó a moverse y generar energía eléctrica.


[1] Slootweg J.G. y W.L. Kling. “Is the Answer Blowing in the Wind”, IEEE Power & Energy, 1(6):26 – 33, 2003. [2] Renewable Energy UK. “ Betz Limit: Understand the Betz Limit and how it affects wind turbines”, http://www.reuk.co.uk/Betz-Limit.htm, 2007.


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