ARTURO_411

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UNIVERSIDAD NACIOCENTRO DEL P

FACULTAD DE INGEMECÁNICA

CONVENIO ESPE

MAESTRÍA EN

P r o g rEn

L ínDiseño y c

transmisión

Arturo

Huanc

NAL DELRÚ

NIERÍA

MINISTERIO DE ENERGÍA

ÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM

TECNOLOGÍA ENERGÉ

a m a d e in v e stig a c ió n :er

gías Renovables

a de inv estigac ión :onstrucción del sistema de

cánica de un aerogenera

Presentado por:Huber Gamarra Moreno

yo-05 de enero de 2012

Y MINAS

TICA

or



2

ÍNDICEÍNDICE .......................................................................................................................................... 21 ANTECEDENTES.................................................................................................................. 32 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 43 OBJETIVOS Y METAS .......................................................................................................... 5

3.1 Objetivo general ............................................................................................................... 5

3.2 Objetivos específicos ....................................................................................................... 5

3.3 Metas................................................................................................................................ 6

4 AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES............................................................................. 6a) Caja negra del sistema de generación eólica .................................................................. 6

b) Matriz de funciones .......................................................................................................... 6

c) Síntesis de funciones ....................................................................................................... 7

d) Caja blanca del grupo ...................................................................................................... 8

4.1 Políticas de investigación................................................................................................. 8

4.2 Programa de investigación............................................................................................... 9

4.3 Línea de investigación...................................................................................................... 9

a) Caja negra del sistema de transmisión mecánica ........................................................... 9

b) Matriz de funciones del sistema de transmisión mecánica directa ................................ 11

c) Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica......................................... 11

d) Caja blanca del sistema de del sistema de transmisión mecánica directa.................... 11

4.3.1 Denominación........................................................................................................ 124.3.2 Objetivo.................................................................................................................. 124.3.3 Problemas.............................................................................................................. 12

5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ................................................................................... 136 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO................................................................................ 137 SOPORTE............................................................................................................................ 15

7.1 Capital humano .............................................................................................................. 15

7.2 Materiales, equipamiento e instrumentos ...................................................................... 16

8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN ................................................................................ 179 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ......................................................................................... 20ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS ................................................................................. 21



3

1 ANTECEDENTES

En la universidad de Chile, facultad de ciencias físicas y matemáticas del

departamento de ingeniería eléctrica se desarrolló el trabajo de tesis

denominado “Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de

eje vertical” elaborado por “Antezana Núñez, Juan Cristobal”, quien

investigó para titularse como ingeniero Civil Electricista el año 2004, y de

cuyo trabajo se concluye que: “El diseño e implementación de un prototipo

de aerogenerador de eje vertical permite abastecer de energía eléctrica a

pequeños consumos en zonas aisladas de la red, y tuvo como propósito

aprovechar el recurso eólico, práctico poco habitual considerando el

potencial energético que posee Chile”.

De igual forma en la universidad de Zaragoza España en la tesis “Diseño y

Construcción de un aerogenerador de 100 W para su aplicación de zonas

indígenas de México”, cuyo autor es: “Pérez Ramiro Rodrigo” quien

investigó para titularse como Máster Europeo en energías renovables

durante el año 2006, cuyo trabajo tuvo como objetivo principal “desarrollar

la tecnología de diseño, fabricación e instalación de aerogeneradores

pequeños para el cargado de baterías, para el desarrollo de este generador

se tomó como base el diseño realizado por ITDG Perú y HUGG Piggot para

lo cual fue necesario evaluar también las condiciones energéticas eólicasdel lugar con el fin de conocer los parámetros característicos del viento”.

También En la Universidad de Chile se encuentra la memoria, titulada

“Diseño de aerogeneradores con imanes permanentes para su utilización

en electrificación rural”, cuyo autor es: Baillarie Rosenmann Paul, quien



4

presentó y sustentó para optar el título de Ingeniero Civil Electricista en el

año 2007, de cuyo trabajo de investigación se deduce la siguiente

conclusión final: “una alternativa factible para solucionar la carencia de

abastecimiento en zonas aisladas de dicho país es el aprovechamiento de

la energía eólica, por lo que se logró diseñar una máquina de generación

eólica capaz de entregar 40,65 MWh anuales. En dicho trabajo además se

expone el completo procedimiento necesario para la realización del diseño

de un generador síncrono de imanes permanentes, acompañado de las

consideraciones de diseño necesarias para su utilización en una turbina

eólica. También se aborda el problema de abastecimiento de energía

eléctrica en zonas rurales, para lo cual se realizó estudios climáticos y de

consumo eléctrico en una localidad, con lo que se pudo aplicar la solución

propuesta, un aerogenerador de flujo axial de imanes permanentes como

fuente de generación de energía eléctrica, presentando un procedimiento

para la creación y evaluación de este tipo de proyectos.”

2 JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo se enfocará a sectores de la población de escasos

recursos, que se ubican en zonas aisladas del Valle del Mantaro con

potencial eólico y que no pueden acceder fácilmente a la energía eléctrica;

ya sea por ubicarse en un entorno de difícil acceso y condiciones extremas,o por su situación socioeconómica; por ello, la solución propuesta en el

presente trabajo de investigación va dirigido principalmente a suplir las

necesidades de esos sectores de la región, que por su situación

geográfica, económica y/o social, no tienen acceso a la energía eléctrica



5

suficiente para un adecuado desarrollo y mejoramiento de la calidad de

vida.

Es importante resaltar también el hecho de que la creciente demanda de

energía eléctrica, cada vez más indispensable en todas las actividades

humanas, hace necesario buscar nuevas formas de satisfacerla, con la

desventaja de que actualmente gran parte de esta generación resulta

ineficiente, pues no se toman en cuenta factores ambientales necesarios

para el desarrollo humano, por lo cual, la potenciación de energías

renovables que no afecten el entorno es crucial en la generación

energética en el presente siglo.

Es por dichos motivos que se plantea realizar un proyecto que permita

solución es prácticas de acorde a la zona, aprovechando los vientos

locales, por medio del diseño de “aerogeneradores de baja potencia”, que

buscan en primera instancia apoyar a sectores desfavorecidos de la región

central del Perú.

3 OBJETIVOS Y METAS

3.1 Objetivo general

Obtener energía eléctrica de baja potencia en zonas aisladas del valle del

Mantaro mediante un sistema de generación eólica.

3.2 Objetivos específicos

Estudiar el potencial eólico de las zonas aisladas del valle del Mantaro.

Diseñar los componentes del sistema de generación eólica de baja



6

potencia.

Aplicar el sistema degeneración eólica de baja potencia en una zona

aislada del valle del Mantaro.

3.3 Metas

Diseñar y construir un prototipo de un sistema de generación eólica de

baja potencia para suministrar energía eléctrica a una zona aislada del

valle del Mantaro.

4 AREAS PROBLEMATICAS CENTRALESa) Caja negra del sistema de generación eólica

Figura. 1.1: Caja negra del sistema de generación eólico

b) Matriz de funciones

Tabla 1.1: Elementos y funciones del sistema de generación eólicaELEMENTO FUNCIÓN

Rotor Convierte la fuerza del viento en el par necesariopara generar la potencia útil.

Palas Captar la energía dinámica absoluta para convertir en un movimiento rotacional.

Bujes Sirve de acoplamiento entre la pala y el rotor Árbol de bajavelocidad

Transfiere el par torsor desde el rotor al resto deltren de potencia.

SISTEMA DE GENERACIÓN EÓLICA

Energía eléctrica

VariableIndependiente

VariableDependiente

EnergíaCinética del viento



7

Acoplamiento Tiene como función conectar los árbolesFreno Reduce las revoluciones del rotor cuando es

necesario. Actúa cuando la velocidad del viento esdemasiado alta, y existe el riesgo de rotura del rotor

o las aspas. Está gobernado por el controlador.Caja multiplicadorade engranajes

Tiene como función adaptar la baja velocidad deleje del rotor a las mayores velocidades deoperación del generador eléctrico.

Árbol de altavelocidad

Tramsitir el par del rotor para una velocidad derotación alta del generador.

Generador asíncrono

Produce energía eléctrica en el estator, cuando lavelocidad de giro de su rotor, impulsado por el ejede alta, es superior a la velocidad de giro del campomagnético de excitación creado por el estator.

Generador síncrono Convierte la energía mecánica de rotación enenergía eléctrica.

Motoreductor Se encarga hacer girar la corona de orientaciónsegún la dirección del viento. Este mecanismo estágobernado en todo momento por el controlador.

Veleta Detecta la dirección en la que sopla el viento. Esteaparato la manda los datos al controlador, para queeste actúe sobre el motor de orientación enconsecuencia.

Sensores Captan señales sobre los parámetros de operacióndel sistema.

Acondicionador deseñal

Chequean la velocidad y la dirección del viento.

Torre Elevar el rotor de la maquina respecto del nivel delsuelo.Góndola Proteger de los agentes atmosféricos.

c) Síntesis de funciones

Tabla 1.2: Síntesis de funciones

Elementos Esencial No esencial Rotor XPalas X

Bujes XÁrbol de bajavelocidadAcoplamiento XFreno XCajamultiplicadorade engranajes

X

Árbol de alta X



8

velocidadGenerador asíncrono

X

Generador

síncrono

X

Motoreductor XVeleta XSensores XAcondicionador de señal

X

Torre XGóndola X

d) Caja blanca del grupo

Figura. 1.2: Caja blanca del sistema de generación eólico

4.1 Políticas de investigación

Las políticas propuestas para el presente trabajo de investigación se

detallan a continuación:

Los proyectos de investigación deben resolver problemas de

generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la

energía eólica, de acuerdo a las líneas de investigación sugeridas para

los programas de estudio de postgrado que financia el MINEM

(CARALEC).

Captacion TransmisiónMecánica

Generacióneléctrica

Regulación ycontrol

Orientación

Soporte

Energíacinética

delviento

Energíaeléctrica

+

+ +

+

+

+

++

+

+



9

La investigación en este caso es necesaria para resolver problemas de

falta de energía en zonas rurales aisladas, para mejorar la calidad de

vida de los pobladores.

Los integrantes del equipo de investigación de sistema de generación

eólica ejecutarán el proceso de investigación durante el desarrollo de

estudios concluyendo al finalizar el último semestre con la sustentación

del borrador de tesis.

Las actividades de investigación han de efectuarse en zonas rurales

aisladas de la región, y en la UNCP.

Los proyectos de investigación utilizarán el método científico y el

enfoque sistémico.

Los proyectos de investigación requieren de la construcción de

modelos y prototipos

La investigación será compartida entre los integrantes del equipo de

investigación, la comunidad beneficiaria así como expertos en el tema

a quienes se recurrirá a través de consultas oportunas.

4.2 Programa de investigación

Energías renovables

4.3 Línea de investigación

a) Caja negra del sistema de transmisión mecánica



10

Figura. 4.1: Caja negra del sistema de transmisión mecánica

En la mayoría de los diseños, la velocidad de giro de la turbina no se

corresponde con la velocidad de giro del generador y es necesario

incluir una caja multiplicadora.

El cuerpo de baja velocidad de este elemento se acopla al rotor eólico

a través del eje primario o eje lento y el cuerpo de alta velocidad al

generador eléctrico mediante el eje secundario o eje rápido. Además,

en el tren de potencia se incluyen los apoyos del sistema de giro con la

estructura de la góndola y el freno mecánico, cuya función es bloquear

la turbina en operaciones de mantenimiento y eventualmente contribuir

a paradas de emergencia.

Las funciones del tren de potencia no se limitan a transmitir la potencia

mecánica con el mayor rendimiento posible, sino que sus componentes

deben estar diseñados para soportar los esfuerzos de empuje

admitidos por el rotor eólico. Por otra parte, un buen diseño del tren de

potencia debe garantizar que dos sus elementos sean de fácil montaje

y sustitución en caso de avería.

Es necesario tener en cuenta que hoy día el empleo de generadores

SISTEMA DE TRANSMISION MECANICA

Alta velocidadrotacional del ejedel hacia elgenerador eléctrico

VariableIndependiente

VariableDependiente

Baja velocidadrotacional deleje del rotor



11

multipolares directamente acoplados, esto es sin caja multiplicadora, es

una solución muy prometedora en los diseños de turbinas más

modernas.

b) Matriz de funciones del sistema de transmisión mecánica directa

Tabla 4.1: Atributos y funciones del sistema de transmisiónmecánica directa

ATRIBUTO FUNCIÓN Eje del rotor de bajavelocidad

Entrega el torque desde el rotor de baja rpm al restodel tren de potencia

Freno mecánico La función principal del freno mecánico es mantener bloqueado el eje de giro durante las operaciones de

puesta en marcha y mantenimiento delaerogenerador.

Cojinete Aloja al rodamientoRodamiento Permite la rotación del eje

c) Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica

A continuación se en la tabla 4.2. se detalla la síntesis de las funciones

del sistema de transmisión mecánica directa:

Tabla 4.2: Síntesis de funciones del sistema de transmisiónmecánica directa

ELEMENTO Primario SecundarioEje del rotor debaja velocidad

X

Freno mecánico XCojinete XRodamiento X

d) Caja blanca del sistema de del sistema de transmisión mecánica

directa



12

Figura. 4.2: Caja blanca del sistema de transmisión mecánica directa

4.3.1 Denominación

Diseño y construcción del sistema de transmisión mecánica de un

aerogenerador.

4.3.2 Objetivo

Diseñar y construir los componentes un sistema de transmisión

mecánica directa del sistema de generación eólica.

4.3.3 Problemas

PROBLEMA PROBLEMAS Descriptivo

¿Cuáles son las características del eje del rotor,rodamientos, cojinetes y freno mecánico quepermiten lograr velocidad rotacional alta hacia eleje del generador multipolo?

Explicativo¿Cómo se relacionan el eje del rotor,rodamientos, cojinetes y freno mecánico quepermiten lograr velocidad rotacional alta hacia eleje del generador multipolo?



13

Experimental¿Qué pasa con la velocidad rotacional del ejehacia el generador multipolo si se modifica la

estructura del eje del rotor, rodamientos,cojinetes y freno mecánico?

Aplicada¿Cómo combinar las formas o estructuras deleje del rotor, rodamientos, cojinetes y frenomecánico para mejorar la velocidad rotacionaldel eje hacia el generador multipolo?

5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

ACTIVIDAD 2011 2012 2012 2013

I SEMESTREII

SEMESTREIII

SEMESTREIV

SEMESTRED E F M A M J J A S O N D E F M

Sistema

problemáticox x x x

Presentación einscripción delplan de tesis

x x x x

Desarrollo de latesis

x x x x x x

Presentación ypresustentación deborrador detesis

x x x x

6 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO

Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio;

Castro Gil Manuel-Alonso (2009), señalan que un sistema de generación

eólica está compuesto por seis subsistemas, que son:



14

A) Subsistema de captación:

B) Subsistema de transmisión mecánica

C)Subsistema de generación eléctrica

D)Subsistema de orientación

E) Subsistema de regulación

F) Subsistema de soporte.

Dichos autores también indican que un sistema de transmisión mecánica

para generación de potencia en sistema eólico esta formado por un eje que

transmite el movimiento rotacional del rotor y la potencia al multiplicador de

velocidad. Un soporte que permite la rotación del eje en el cojinete de

rodamientos. Un ajuste y alineamiento adecuado permitirá el

funcionamiento con un mínimo de perdida por fricción.

Así mismo, Álvarez Munguía Ricardo (2008) afirma que “Una de lassoluciones más atractivas que han aparecido en los últimos años consiste

en la eliminación de la caja multiplicadora que adecúa la velocidad de giro

de la turbina a la del generador. De este modo se elimina uno de los

elementos más sujetos a fallos y se incrementa la fiabilidad del sistema.

Otras ventajas derivadas de la eliminación de la caja multiplicadora

provienen de la disminución de los requerimientos de mantenimiento y de

las pérdidas asociadas. Se ha de mencionar también la reducción del ruido

emitido por la aeroturbina.

Sin embargo la eliminación del multiplicador de velocidad conlleva la



15

necesidad de incorporar generadores de baja velocidad, con elevado

número de polos (con el consecuente aumento del tamaño del generador).

En general, el diámetro de estos generadores es inversamente

proporcional a la masa de material electromagnéticamente activo.

En el caso de pequeños aerogeneradores con generador asíncrono de

jaula de ardilla se puede prescindir de la caja multiplicadora, con las

grandes ventajas que ello conlleva”

7 SOPORTE

7.1 Capital humano

El equipo de trabajo para el estudio y ejecución del presente trabajo de

investigación está constituido por:

NOMBRES Y APELLIDOS

OBLIGACIONES CAPITAL HUMANO APORTE ALTRABAJO

Raúl Mayco

Chávez

Responsable Profesor Principal

adscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas:Termodinámica,Centraleshidroeléctricas,centrales termo-hidráulicas.Estudio de Maestría:Tecnología energética

Análisis y

diseño en elsistema detransmisión

EdmundoMuñico Casas

Colaborador Profesor Asociadoadscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas: Mecánicade fluidos, turbomaquinas,termodinámica,energías noconvencionales,centralestermohidráulicas

Análisis ydiseño en elsistema decaptación sindifusor



16

Estudio de Maestría:Desarrollo Ruralsostenible

Rolando

MontalvánLozano

Colaborador Profesor Asociado

adscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas: Maquinaseléctricas, electrónicaEstudio de Maestría:AdministraciónFinanzasEstudio de Doctorado:Ingeniería eléctrica

Análisis y

diseño en elsistema delgenerador eléctrico

Mario ArellanoVílchez

Colaborador Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas: AnálisismatemáticoEstudio de Maestría:Administraciónmención informáticapara la gestiónEstudio de Doctorado:Tecnología energética

Análisis ydiseño en elsistema decaptación condifusor

Arturo GamarraMoreno

Colaborador Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCPDictado de

asignaturas:Matemática básicaEstudio de Maestría:Administraciónmención informáticapara la gestiónEstudio de Doctorado:Sistema

Análisis ydiseño delsistema de

transmisióndirecto

ArmandoCalcina Sotelo

Colaborador Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas: Motores

de combustión internaEstudio de Maestría:Ciencias energéticascon mención en gasnatural

Análisis ydiseño en elsistema delregulación y

control

7.2 Materiales, equipamiento e instrumentos



17

Materiales

Fibra de vidrío

Madera

Sensores y otros elementos electrónicos

Imanes permanentes

Rodamientos

Equipos e Instrumentos

Anemómetro

Ordenador GPS

Tacómetro

Voltímetro

8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN

Considerando en este caso la siguiente línea de investigación: Diseño y

construcción del sistema de transmisión mecánica de un

aerogenerador ; y las preguntas mostradas en cada uno de los problemas,

se tiene:



18



19

Del gráfico anterior y de las referencias bibliográficas así como del interés

por financiar proyectos por CARELEC se concluye que las investigaciones

aplicadas referentes a encontrar las mejores soluciones para el sistema de

transmisión directa en este caso, será la que mayor importancia tiene.

Es necesario tener en cuenta la propuesta como trabajos futuros que hace

Baillarie Rosenmann Paul (2007) quien señala: que “Debido a la positiva

evaluación teórica de la implementación de aerogeneradores de eje

horizontal para el abastecimiento de energía eléctrica en zonas rurales, se

plantea como desafíos futuros para trabajos que sigan en esta misma línea,

el que parece como paso lógico a seguir, la confección de un prototipo de

este aerogenerador de eje horizontal, a fin de lograr el conocimiento

práctico del cual aún Chile carece, con miras a concretar la

manufacturación de este tipo de tecnología en forma local, siendo éste el

camino para concretar una futura independencia energética, sobre todo en

vista del próximo agotamiento de los combustibles fósiles, hecho que será

precedido por el aumento inconmensurable de sus precios, lo que dañaría

seriamente la economía de dicho país si se enfrentase ese momento con la

actual matriz energética del país, donde la generación eléctrica en base a

centrales térmicas juega un papel muy importante”.



20

9 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

Álvarez Munguía Ricardo. Mejora del rendimiento de un generador eólico

asíncrono conectado a la red, mediante convertidores electrónicos y

controladores de lógica borrosa. Tesis Doctoral. España: Universidad de

Salamanca 2008

Antezana Núñez, Juan Cristobal. Diseño y construcción de un prototipo de

generador eólico de eje vertical. Tesis de grado. Chile: Universidad de

Chile 2004.

Baillarie Rosenmann Paul. Diseño de aerogeneradores con imanes

permanentes para su utilización en electrificación rural. Tesis de grado

Chile: Universidad Chile. 2007

Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio;

Castro Gil Manuel-Alonso. Centrales de Energías renovables. Generación

eléctrica con energías renovables. Madrid, España: Pearson Educación

S.A. 2009.

Pérez Ramiro Rodrigo. Diseño y Construcción de un aerogenerador de 100

W para su aplicación de zonas indígenas de México. Tesis de Maestría.

España: Universidad de Zaragoza; 2006

Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de

investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, diciembre de 2011



21

ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

MAESTRIA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

APELLIDOS Y NOMBRES DEL MAESTRANDO

Gamarra Moreno_Arturo Huber______________________________________

_______________________________________________________________

LINEA DE INVESTIGACIÓN

Diseño y construcción del sistema de transmisión mecánica de un

aerogenerador___________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

TEMA DE TESIS

Sistema de transmisión mecánica directa para aumentar la baja velocidad de

rotación del rotor de un aerogenerador

PROBLEMA¿Cómo combinar las formas o estructuras del eje del rotor, rodamientos,

cojinetes y freno mecánico para mejorar la velocidad rotacional del eje hacia el

generador multipolo?

__________________________

Tesista

__________________________

V°B° Docente

__________________________

V°B° Director de la UPGFIM

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