DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CALDERO DE VAPOR DE BIOMASA, PARA APROVECHAR VAPOR DE AGUA Y GENERAR ENERGÍA POR

MEDIO DE UN AEROGENERADOR SAVONIUS

CONVERSIÓN DE LA ENERGIA EÓLICA A ELÉCTRICA

ARIAS JEFFERSON, BRAVO JUAN, CORDOVA ALEXANDER, QUIMBIAMBA PAUL

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS-ESPE

SANGOLQUI, JUNIO 2014

Perfil de Proyecto de Fin de Semestre para la materia de SISTEMAS ENERGETICOS

“Piensa globalmente, actúa localmente”

Tarde o temprano, el calentamiento global y la escasez del petróleo nos

Obligarán a buscar energías más respetuosas con la naturaleza.

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO.

Tema: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CALDERO DE BIOMASA, PARA APROVECHAR VAPOR DE AGUA Y GENERAR ENERGÍA POR MEDIO DE

UN AEROGENERADOR SAVONIUS.

Fecha de Presentación:

18/06/2014

Responsables:

Arias Jefferson. Bravo Juan. Córdova Alex Quimbiamba Paúl

Coordinación:

Ingeniero Espinoza Rafael.

Antecedentes:

La primera máquina eólica conocida por la historia aparece en el año 1700 A.c. en Babilonia, usándose para bombear agua, aunque parece que en la antigua Persia se utilizaban ya molinos de eje vertical para moler grano.

Figura1. Fotografía primer molino de viento. (Opazo, 2008)

A partir del siglo XI, aparecen en la zona mediterránea molinos con rotores a vela que derivan en los típicos molinos manchegos y mallorquines probablemente por influencias llegadas a Europa, cuya característica era el rotor de cuatro aspas de entramado de madera recubierto de tela.

A finales de la edad media las innovaciones y las aplicaciones de las máquinas eólicas se producen con rapidez. Entre la segunda mitad del siglo XVII y XIX, los molinos de viento europeos alcanzan su mas alto nivel de perfeccionamiento, dentro de las limitaciones de la tecnologia artesanal. Los sistemas de orientación y regulación se ven completados por mecanismos internos, convirtiendo los molinos de viento en factorias mecanizadas con una alto grado de automatización.

La energía del viento: solo un 2% de la energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía Eólica y por diversos motivos, solo una pequeña parte 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 una de las fuentes de energía renovables de primera magnitud.

La energía del viento es de tipo cinético (debida a su movimiento); ello hace que la potencia obtenible del mismo dependa de forma acusada de su velocidad, así como el área de la superficie captadora. (Opazo, 2008).

Objetivo General:

Diseñar y construir un generador de Energía Eólica, utilizando los conocimientos obtenidos y la investigación del funcionamiento de la energía eólica, para producir la energía necesaria para cargar la batería de un celular.

Objetivos Específicos:

Diseñar un sistema para transformar la energía eólica en energía eléctrica. Rectificar el voltaje y la corriente obtenidos en el sistema para cargar la batería de un

celular. Calcular el rendimiento del dispositivo construido.

Marco Teórico:

Actualmente, la energía eólica se utiliza sobre todo en la producción de energía eléctrica, tanto a gran escala como en las viviendas unifamiliares. La electricidad se obtiene a través de aerogeneradores. El viento es una fuente de recursos limpia y renovable y su aprovechamiento en las viviendas permite a las familias contribuir en la reducción de la emisión de gases contaminantes que provocan el efecto invernadero. Esta fuente de energía verde es

intermitente, sin embargo, por lo que los generadores eólicos caseros deben ser utilizados en combinación con otros sistemas de producción de energía eléctrica.

Maquinas Eolicas de Ejer Vertical

Como su nombre lo dice estas maquinas o turbinas eolicas tienen su eje de rotacion de manera vertical. En la Figura 1 vemos varios tipos de Aerogeneradores de eje Vertical.

Figura 1-Maquinas Eje Vertical

Entre las máquinas eólicas de eje vertical se pueden citar:

El aerogenerador Savonius, puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla su fabricación; tiene una velocidad de giro pequeña y su rendimiento es relativamente bajo.Ver Figura 2

Figura 2-Generdor Savonius

El aerogenerador Darrieux o de catenaria, requiere para un correcto funcionamiento, vientos de 4 a 5 metros por segundo como mínimo, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento; se construyen con 2 ó 3 hojas. Ver Figura 3(Johnson, 2001)

Figura 3-Aerogeneradaor Darrieux

El molino vertical de palas tipo giromill o ciclogiro, deriva del Darrieux; tiene entre 2 y 6 palas.Ver Figura 4

Figura 4-Molino Tipo H Giromil

El modelo Darrieux arranca mal, mientras que el Savonius se puede poner en funcionamiento con una pequeña brisa; debido a ello se puede hacer una combinación sobre un mismo eje de ambas máquinas de forma que un rotor Savonius actúe durante el arranque y un rotor Darrieux sea el que genere la energía para mayores velocidades del viento.

Las ventajas de los aerogeneradores de eje vertical frente a los de eje horizontal, son:

No necesitan sistemas de orientación. Los elementos que requieren un cierto mantenimiento pueden ir situados a nivel del

suelo. No requieren mecanismos de cambio de revoluciones, por cuanto no suelen emplearse

en aplicaciones que precisen una velocidad angular constante. Las ventajas de los aerogeneradores de eje horizontal respecto de los de eje vertical

son: Mayor rendimiento. Mayor velocidad de giro (multiplicadores más sencillos). Menor superficie de pala S a igualdad de área barrida A. Se pueden instalar a mayor altura, donde la velocidad del viento es más intensa En la siguiente tabla se resumen las características salientes de los rotores eólicos más

utilizados.

(Rodriguez, 2000)

Aplicaciones de un generador eólico casero

Las posibles aplicaciones de un generador eólico casero van a depender del voltaje que pueda generar. Los de baja potencia pueden emplearse para obtener puntos de luz o iluminar estancias pequeñas y para producir la electricidad necesaria para el funcionamiento de pequeños electrodomésticos.

Un generador eólico de potencia media puede iluminar viviendas pequeñas situadas en zonas aisladas. En áreas de mucha altitud con buenos vientos es más confiable que la energía solar

(no depende de los cielos despejados) y la fósil (se evita el traslado de los combustibles fósiles a zonas de difícil acceso).

Los generadores eólicos de potencia media pueden surtir de la energía necesaria a las bombas hidráulicas. Esto les permite bombear agua desde un depósito o aljibe hasta una vivienda cercana, por lo que son muy utilizados en zonas rurales.

Beneficios de optar por la energía eólica casera

Los beneficios de la energía eólica casera son múltiples. Además de los relativos al cuidado del entorno y la reducción de la factura de la electricidad, existe un atractivo digno de mención. Las personas con talento para fabricar generadores eólicos caseros pueden vender los aparatos a otras personas o bien, la propia electricidad eólica generada. La inversión es asumible y puede ser amortizada desde diferentes vías, en un corto periodo de tiempo. (Energias y medioAmbiente PetroEcuador, 2013)

POTENCIA

La máxima potencia que podemos obtener del viento, ya sea con un molino de viento “quijotesco” o un aerogenerador de última generación (en lo siguiente “eólica”), se calcula con la siguiente fórmula aproximada, que tiene en cuenta todas las pérdidas (aerodinámicas, mecánicas y eléctricas) de la máquina:

PWelec= 0,15 · D2· v³

• P es la potencia expresada en vatios [W] • D es el diámetro del rotor en metros [m]• V es la velocidad del viento en metros por segundo [m/s].

Esta sencilla fórmula es fruto del señor Betz, un sabio alemán que en 1926publicó el primer tratado sobre la teoría aerodinámica aplicada a las turbinas eólicas. Lo primero que nos dice esta fórmula es que la potencia aumenta con el cubo de la velocidad del viento, o, expresado de otro modo, “a más viento, mucha más energía”.

Velocidad de giro de una eólica

La velocidad de giro de una eólica se puede calcular con la siguiente fórmula:

n = (60 · λ · v) / (π · D)

n es el número de revoluciones por minuto [rpm] λ se llama velocidad especifica. Este factor depende del tipo de eólica (rápida o lenta).

Puede tener un valor comprendido entre aprox. 1 y 14. En la eólica que vamos a construir, este factor será de aprox. 4.

V es la velocidad del viento en metros por segundo [m/s]. D es el diámetro de la eólica en metros [m]

FUNCIONAMIENTO DEL DINAMO:

Máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica; es decir, permite obtener electricidad a partir de un movimiento.La dinamo es un generador electromagnético cuyo funcionamiento es parecido al de un motor eléctrico. Pero en este caso se suministra movimiento y la dinamo proporciona corriente eléctrica. Cuando gira la bobina bajo la influencia de los imanes, se induce en ella una corriente eléctrica. En una bicicleta, por ejemplo, el giro de las ruedas arrastra a la bobina de la dinamo. Ver Figura 5

Reglas generales:

• A más diámetro, menor velocidad de giro • Un mayor número de palas no aumenta necesariamente la velocidad de giro, pero sí el rendimiento de la eólica. (La Veritat, 1999) Rendimiento de un generador:Cuando un generador de electricidad incurre en pérdidas, su eficacia es menor al 100 por ciento. La eficiencia de un generador está determinada por la potencia del circuito de carga y los vatios totales producidos por el generador. Se expresa en porcentaje ya que estás dividiendo unidades de energía entre unidades de energía.

Figura 5-Dinamo

En otras palabras, eficiencia es la potencia de salida del generador, dividida por la potencia de entrada. La mayoría de los generadores tiene una eficiencia de 90% a 96%. Las unidades grandes típicamente tienen eficiencias mayores que las unidades pequeñas. (Lizarraga, s.f.)

Procedimiento:

Para empezar a construir debemos saber que este generador a diseñar tiene un voltaje máximo de dos voltios calculados previamente en base al diámetro del rotor y tamaño de las hélices.

1. El primer paso es la construcción de la estructura que sostiene al generador eólico. Puede utilizarse un tubo de acero soldado a una placa que hará de pedestal. En la placa deben hacerse cuatro agujeros para sujetar la pieza a la base de madera a la que irá fijada al final.

2. El segundo paso es la colocación de la dinamo en la estructura. En el tubo de acero se taladran unos huecos por los que se pasan unos alambres que fijan la dinamo a la pieza. Una vez fijada con los alambres, se sueldan los cables a la dinamo (pedazos largos, para conectar los leds al otro extremo).

3. La tercera fase es la de sujeción. Primero se sujeta la hélice del generador a la dinamo. Para ello pueden utilizarse abrazaderas. Después, toda la estructura completa se fija a la base de madera, utilizando un destornillador y tornillos, pasados a través de los agujeros taladrados en la primera fase. Los cables se fijan a lo largo del tubo, utilizando la cinta de embalar.

4. La cuarta fase es previo al diseño de un circuito eléctrico adaptarlo al sistema cuya función sea el aumentar el voltaje de entrada que tenemos del generador para tener un voltaje más alto a la salida dependiendo a la función y al uso que le vamos a dar en este caso y para nuestro proyecto necesitaremos un voltaje de unos 5 voltios usualmente utilizados para cargar una batería de un teléfono celular

5. El último paso es la conexión y comprobación del generador. Se conectan los extremos libres de los cables soldados a la dinamo, con el cargador de un teléfono cualquiera. Es el momento de utilizar los conectores machos y hembras para unir los cables a la batería a sus terminales con polaridades distintas.

6. Para comprobar que funciona, puede utilizarse un secador de pelo, apuntando a la hélice del generador, si las luces encienden, se ha construido con éxito el generador de energía eólica casera

Materiales y Equipos:

Maquina Eolica de Eje Vertical Tipo (Savonius, Darrieux o Giromil) Un taladro y una broca Destornilladores, tornillos Un cautín para soldar y estaño Una regleta de conexiones Conectores machos y hembras Una navaja y cinta de embalar Bombillos tipo led Una estructura para soportar el generador Una base para fijarlo Generador o dínamo Cables (alambres) de cobre Pedestal o soporte para el generador con una base de madera Simulador de viento (ventilador o secador de pelo)

Presupuesto:

Mediante el análisis de costos y disponibilidad en el mercado en la Tabla 1 de detalla el presupuesto estimado para nuestro proyecto.

Tabla 1-Presupuesto

Material. Precio.

Construccion del generador 50

Destornilladores, tornillos 3

Estaño 2

Conectores machos y hembras 10

Cinta de Embalar 1,5

Bombillos tipo led 0,50

Estructura de soporte 5

Base de soporte 5

Generador o dinamo 30

Total Estimado 82 dólares

Cronograma:

BibliografíaEnergias y medio Ambiente PetroEcuador. (24 de Octubre de 2013). Recuperado el 09 de 05 de 2013, de

http://www.petroecuador.com.ec/ahorro/para-que-podemos-emplear-un-generador-de-energia-eolica-casera/

Johnson, G. L. (2001). Wind Energy Systems. Manhattan, KS.

La Veritat. (15 de Noviembre de 1999). Recuperado el 09 de 05 de 2013, de http://www.uv.es/~navasqui/aero/Manualeolo.pdf

Lizarraga. (s.f.). eHow. Recuperado el 10 de Junio de 2013, de Cómo calcular la eficiencia de un generador de eléctricidad: http://www.ehowenespanol.com/calcular-eficiencia-generador-electricidad-como_76221/

Opazo, D. (15 de Julio de 2008). UN MEDIO AMBIENTE LIMPIO. Recuperado el 06 de 05 de 2013, de http://dmiithazxz.blogspot.com/2008/07/historia-del-la-energa-elica.html

Rodriguez, M. O. (2000). Energías Renovables . España.