FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO DE UN AEROGENERADOR QUE PERMITA GENERAR ENERGIA

ELECTRICA EN EL COLEGIO OFELIA URIBE DE ACOSTA

COMUNIDAD DE YOMASA

AÑO 2016 - 3

ELABORADO POR:

MILENA MOLINA GALINDO

BOGOTÁ, D. C., NOVIEMBRE 24 DE 2016

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

DISEÑO DE UN AEROGENERADOR QUE PERMITA GENERAR ENERGIA

ELECTRICA EN EL COLEGIO OFELIA URIBE DE ACOSTA

COMUNIDAD DE YOMASA

AÑO 2016 - 3

ELABORADO POR:

MILENA MOLINA GALINDO

BOGOTÁ, D. C., NOVIEMBRE 24 DE 2016

NOTA DE ACEPTACION

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

JURADOS

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

_________________________________________

BOGOTÁ, D. C., NOVIEMBRE 24 DE 2016

A mis padres, que me dieron todo el apoyo, cariño y sacrificio para seguir adelante con mi carrera universitaria, en especial a mi padre que siempre ha estado conmigo y me ha enseñado a ser trabajadora y a luchar en la vida. A mis hermanas y abuela, por su apoyo incondicional, amor y amistad. A mi esposo, por su comprensión, amor, apoyo, amistad y por la paciencia que me ha tenido en estos últimos semestres que culmino mi carrera universitaria. A mi hijo, que es el motor que me impulsa hacer mejor cada día, a levantarme cada vez que caigo, a tener una visión apropiada para el futuro de nuestra familia y por hacer de mí una mejor persona y un buen ejemplo para él.

AGRADECIMIENTOS

A Dios, porque a pesar de todas las dificultades y obstáculos que he atravesado me dio la fuerza suficiente para levantarme en mi día a día y luchar para poder ser una mejor persona y mejor estudiante para poder terminar mi pregrado. A mis Padres, porque sin ellos ni su apoyo no sería posible este logro. A mi esposo y mi hijo, por el apoyo y la paciencia que me han tenido en estos últimos semestres.

TABLA DE CONTENIDO

1. TÍTULO. ................................................................................................................................. 18

2. ALTERNATIVA ..................................................................................................................... 18

3. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN ............................................................................................... 18

4. EJE TEMÁTICO. ................................................................................................................... 18

5. INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................. 19

6. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN. .............................................................................. 20

7. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. .............................................. 21

8. OBJETIVOS .......................................................................................................................... 22

8.1. GENERAL .......................................................................................................................... 22

8.2. ESPECIFICO ...................................................................................................................... 22

9. ALCANCES Y LIMITACIONES. .......................................................................................... 23

10. METODOLOGÍA ............................................................................................................... 24

11. CROGRAMA DE ACTIVIDADES .................................................................................... 25

12. PRODUCTOS A ENTREGAR. ........................................................................................ 26

13. INSTALACIONES Y EQUIPO REQUERIDO ................................................................. 27

14. PRESUPUESTO DEL TRABAJO Y RECURSOS FINANCIEROS. ............................. 28

15. ESTRATEGIAS DE COMUNICACIÓN Y DIVULGACIÓN ............................................ 29

16. MARCO DE REFERENCIA ............................................................................................. 30

16.1. MARCO TEÓRICO. ....................................................................................................... 30

16.1.1. HISTORIA DEL USO DEL VIENTO. ...................................................................... 30

16.1.2. AEROGENERADOR ................................................................................................ 36 16.1.2.1. Consideraciones básicas de carga: ......................................................................... 37 16.1.2.2. Cargas de fatiga: ........................................................................................................... 37

16.1.3. TIPOS DE AEROGENERADORES ....................................................................... 38

16.1.4. ENERGÍA EÓLICA EN COLOMBIA ...................................................................... 41

17. MARCO CONCEPTUAL. ................................................................................................. 48

17.1. GENERACIÓN ENERGÍA EÓLICA ............................................................................ 48

17.2. CONVERSION DE LA ENERGIA EOLICA EN ENERGIA ELECTRICA ............... 52

17.3. FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS EÓLICAS .............................................. 53

18. CONDICIONES DEL VIENTO EN EL COLEGIO OFELIA URIBE ............................... 66

18.1. AFORO DEL VIENTO ................................................................................................... 66

19. TOPOGRAFÍA .................................................................................................................. 72

19.1. DESCRIPCION .............................................................................................................. 72

19.2. METODOLOGIA ............................................................................................................ 72

19.3. RESULTADOS .............................................................................................................. 73

19.3.1. LOCALIZACION DEL PROYECTO ...................................................................... 73

19.4. ANALISIS DE RESULTADOS ..................................................................................... 73

19.5. REGISTRO FOTOGRAFICO ....................................................................................... 75

19.6. PLANO TOPOGRAFICO ............................................................................................. 80

20. ESTUDIO DE SUELOS .................................................................................................... 81

20.1. DESCRIPCION .............................................................................................................. 81

20.2. SONDEO Y CARACTERISTICAS DEL SUELO ....................................................... 81

20.2.1. DESCRIPCION DEL SUELO .................................................................................. 81

21. DISEÑO DE UN AEROGENERADOR SAVONIUS DE 200 WATTS ........................... 85

21.1. CONDICIONES EXTERNAS ....................................................................................... 85

21.1.1. CONDICIONES AMBIENTALES. ........................................................................... 85 21.1.1.1. Calculo de la densidad del aire ................................................................................. 85

21.1.2. CONDICIONES INTERNAS .................................................................................... 87

21.2. DISEÑO DEL ROTOR .................................................................................................. 88

21.2.1. ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN LAS PALAS ..................................................... 88

21.3. DISEÑO DEL EJE PRINCIPAL ................................................................................... 93

21.4. PERNOS SOMETIDOS A TRACCION ....................................................................... 96

21.5. SISTEMA DE TRANSMISION ..................................................................................... 97

21.6. EQUIPOS ........................................................................................................................ 98

21.6.1. Motor........................................................................................................................... 98

21.6.2. Regulador ................................................................................................................ 100

21.6.3. Batería ...................................................................................................................... 100

21.7. PRESUPUESTO ......................................................................................................... 103

21.8. SEGURIDAD EN EL AEROGENERADOR ............................................................. 103

22. CONCLUSIONES ........................................................................................................... 105

23. RECOMENDACIONES .................................................................................................. 106

24. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 107

25. FIRMAS ........................................................................................................................... 108

26. ANEXOS .......................................................................................................................... 109

LISTA DE ILUSTRACIONES

ILUSTRACIÓN 16-1: MOLINO PERSA AÑO 7 D. C. .................................................................................. 30

Ilustración 16-2: Primer Aerogenerador – Siglo XIX. ...................................................................... 33

Ilustración 16-3: Los aerogeneradores de la Cour Dos de sus aerogeneradores de prueba en 1897

en el instituto de Askov Folk, Askov (Dinamarca). ......................................................................... 33

Ilustración 16-4: AEROGENERADOR SAVONIUS ............................................................................ 35

Ilustración 16-5: Componentes de un Aerogenerador .................................................................. 37

Ilustración 16-6: Aerogeneradores de eje Horizontal .................................................................... 38

Ilustración 16-7: Aerogenerador Tri Pala o Danés ......................................................................... 39

Ilustración 16-8 Aerogenerador eje horizontal .............................................................................. 40

Ilustración 16-9: Potencia eólica instalada en Latinoamérica en MW por países a finales de 2010.

........................................................................................................................................................ 47

Ilustración 17-1: Partes de un Aerogenerador. .............................................................................. 48

Ilustración 17-2: Turbina eólica Whisper H175 de 3 kilowatts, se encuentra instalada en una

torre de 50 pies, conectada a la red para compensar el suministro de energía de la red

convencional. ................................................................................................................................. 54

Ilustración 17-3: Comportamiento del viento ................................................................................ 56

Ilustración 17-4: Velocidad Tangencial vs Coeficiente de Potencia ............................................... 56

Ilustración 17-5: Obstrucción del viento ........................................................................................ 58

Ilustración 17-6: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA ..................................... 58

Ilustración 17-7: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA ..................................... 59

Ilustración 17-8: Parte más alta del colegio Ofelia Uribe Acosta ................................................... 59

Ilustración 17-9: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA ..................................... 59

ILUSTRACIÓN 17-10: UBICACIÓN DEL AEROGENERADOR EN EL COLEGIO .................................... 60

Ilustración 17-11: Viento más probable en Colombia (Bogotá). .................................................... 61

Ilustración 17-12: Periodo de retorno de la velocidad máxima en Colombia (Bogotá). ................ 62

Ilustración 17-13: Densidad del Aire en Colombia (Bogotá). ......................................................... 62

Ilustración 17-14: Tiempo en Usme – Octubre de 2016 ................................................................ 63

Ilustración 17-15: Tiempo en Useme – Octubre de 2016 .............................................................. 64

Ilustración 17-16: Rosa de vientos en Bogota ................................................................................ 65

Ilustración 17-17: Localización Colegio Ofelia Uribe ...................................................................... 65

Ilustración 18-1 Aforo del Viento ................................................................................................... 67

Ilustración 18-2 Proyección velocidad del viento .......................................................................... 71

Ilustración 19-1 Localización .......................................................................................................... 73

Ilustración 19-2 Perfil longitudinal Topográfico ............................................................................. 74

Ilustración 19-3 Perfil Punto 1 K 0+020.0 Ilustración 19-4 Perfil Punto 2 K0+090,00 ..... 75

Ilustración 19-5 Ubicación de los puntos 1 y 2 .............................................................................. 75

Ilustración 19-6 Armado estación .................................................................................................. 76

Ilustración 19-7 Puntos 1 y 2 .......................................................................................................... 76

ILUSTRACIÓN 19-8 UBICACIÓN APIQUE .................................................................................................. 77

ILUSTRACIÓN 19-9 TALUD DETRÁS DE LAS AULAS .................................................................................... 77

Ilustración 19-10 Cuneta en concreto ............................................................................................ 78

Ilustración 19-11 Canal ................................................................................................................... 78

Ilustración 19-12 Talud Punto 2 ..................................................................................................... 79

Ilustración 19-13 Zona árboles ....................................................................................................... 79

Ilustración 20-1 Sondeo Ilustración 20-2 Sondeo 2 metros ... 82

Ilustración 20-3 Contenido de humedad M1 ................................................................................. 83

Ilustración 20-4 Contenido de humedad M2 ................................................................................. 83

Ilustración 20-5 Granulometría ...................................................................................................... 84

Ilustración 21-1: Dimensiones de las palas: ................................................................................... 89

Ilustración 21-2: Acción del viento sobre las palas ........................................................................ 89

Ilustración 21-3 Calculo masa de una pala. .................................................................................... 90

Cp= descrita de en la lustración 21-4 Velocidad Tangencial vs Coeficiente de Potencia=

0.19 ................................................................................................................................................ 92

Ilustración 21-5: Unión de las palas ............................................................................................... 93

Ilustración 21-6 Calculo Fuerza ejercida en el eje y del eje central. .............................................. 94

Ilustración 21-7 Calculo de la columna eje central ........................................................................ 95

Ilustración 21-8 Calculo del peso que debe soportar el eje central. .............................................. 95

Ilustraciòn 21-9: Amp Flow M27-150-P Brushed Electric Motor, 150W, 24V or 36 VDC, 3800 rpm

........................................................................................................................................................ 98

Ilustración 21-10: CURVAS DEL RENDIMIENTO DEL MOTOR ......................................................... 99

Ilustración 21-11: CARACTERÍSTICAS MOTOR ................................................................................ 99

Ilustración 21-12: BATERIA UCG75-12 ......................................................................................... 100

Ilustración 21-13: CARACTERISTICAS DE BATERIA ....................................................................... 100

Ilustración 21-14: GRAFICAS SEGÚN CARACTERÍSTICAS .............................................................. 101

GLOSARIO

AEROGENERADOR: Dispositivo mediante el cual se puede llevar a cabo la captación de la energía eólica para transformarla en alguna otra forma de energía. Unidad constituida por un generador eléctrico unido a un aeromotor que se mueve por impulso del viento. CENTRAL EÓLICA: Instalación en la que se produce electricidad a partir del viento. ENERGÍA: Propiedad de los cuerpos que se manifiesta por su capacidad de realizar un cambio (de posición o de cualquier otro tipo). ENERGÍA PRIMARIA: Fuente de energía natural existente en la Naturaleza, como el carbón, el petróleo, el gas natural, el sol, agua almacenada o en movimiento, las mareas, el viento, el uranio, calor almacenado en la tierra (geotermia), etc. Después de su transformación, la energía primaria produce energía intermedia (gasolina, carbón, electricidad, etc.). ENERGÍAS RENOVABLES: Son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables a escala humana. El sol está en el origen de todas ellas porque su calor provoca en la Tierra las diferencias de presión que dan origen a los vientos, fuente de la energía eólica. El sol ordena el ciclo del agua, causa la evaporación que provoca la formación de nubes y, por tanto, las lluvias. También del sol procede la energía hidráulica. Las plantas se sirven del sol para realizar la fotosíntesis, vivir y crecer. Toda esa materia vegetal es la biomasa. Por último, el sol se aprovecha directamente en las energías solares, tanto la térmica como la fotovoltaica.

EÓLICA: La energía eólica es la energía producida por el viento. Como la

mayor parte de las energías renovables, la eólica tiene su origen en el sol, ya que entre el 1 y el 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento, debido al movimiento del aire ocasionado por el desigual calentamiento de la superficie terrestre. Excluyendo las áreas con valor

ambiental, esto supone un potencial de energía eólica de 53 TWh/año, cinco veces más que el actual consumo eléctrico en el mundo. Por tanto, en teoría, la energía eólica permitiría atender sobradamente las necesidades energéticas del mundo. KILOWATT – HORA: Unidad de energía utilizada principalmente para medir energía eléctrica. kWh= 1.000 Wh (ver Wh)

MWh: Megawatts hora. Equivale a 1.000.000 Wh (ver Wh).

POTENCIA: Variación de la energía intercambiada con el tiempo. La unidad de potencia es el vatio (W). 1 W = 1 J/s. POTENCIA ELECTRICA: Es la tasa de producción, transmisión o utilización de energía eléctrica, generalmente expresada en Watts (W). Dicho de otra forma, es el trabajo necesario para que la energía sea consumida en una unidad de tiempo. PRESION ADMOSFERICA: Fuerza que ejerce la columna de aire sobre una superficie.

PRODUCCION BRUTA DE ENERGETICOS: Es un valor porcentual que

hace referencia a la cantidad de energía total producida durante un año, a

través de las diversas fuentes energéticas.

PROPANO: Hidrocarburo alcano (C3H8). Se usa principalmente como combustible, aerosoles y gas refrigerante.

RADIACION: Proceso de transferencia de calor que se establece entre

cuerpos a diferente temperatura mediante emisión de fotones o transmisión

de ondas electromagnéticas

RADIACION SOLAR: Es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol.

TURBA: Es un tipo de carbón de baja calidad. Está compuesto por un 55% de carbono y se caracteriza por su capacidad de retener aguas.

TURBINA: Motor rotativo por donde pasa un fluido. Este motor capta la energía del fluido a través de un rotor con palas, hélice o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía luego se convierte en energía mecánica que luego se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice

VELETA: Es un dispositivo giratorio que indica la dirección del viento. Está compuesto por un señalador y algunos también poseen una cruz con los puntos cardinales. VENTEO: Consiste en la quema del gas licuado de petróleo, a través de una antorcha, inicialmente por no conocer el potencial de su uso y actualmente por motivos de seguridad.

VOLTAJE: Corresponde a la diferencia de potencial eléctrico que se genera entre dos puntos de un conductor.

W: Un watt (W) o vatio es la unidad con la que se mide la potencia del Sistema Internacional de Unidades. Si son de poca potencia, la potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en watts, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilowatts (kW) que equivale a 1.000 watts; Megawatts (MW) que equivale a 1.000.000 watts; Gigawatts (GW) que equivale a 1.000.000.000 watts, y Terawatts (TW) que equivale a 1.000.000.000.000 watts. Wh: El watt-hora, simbolizado Wh, es una unidad de energía expresada en forma de unidades de potencia por tiempo, con lo que se da a entender que la cantidad de energía de la que se habla es capaz de producir y sustentar una cierta potencia durante un determinado tiempo. Así, un watt-hora es la energía necesaria para mantener una potencia constante de un watt (1 W) durante una hora.

RESUMEN El siguiente proyecto se desarrolla en la etapa de factibilidad y diseños donde se describe el cálculo y el diseño de un aerogenerador prototipo de eje vertical tipo Savonius aplicable para la generación de energía en un aula de clase para el Colegio Ofelia Uribe ubicado en la Localidad de Usme - Yomasa, aprovechando la energía del viento. El objeto de este proyecto es proporcionar toda la información necesaria para la construcción e instalación de un aerogenerador de este tipo en una comunidad concretamente en la comunidad de Yomasa. Si dicho proyecto resulta eficiente podrían llegar a instalarse aerogeneradores de estas características en otras comunidades rurales para cubrir así las necesidades energéticas de éstas. Este proyecto se enmarca dentro del programa de Practica Social de la Universidad Católica de Colombia y la comunidad de Yomasa. En la primera parte se estudia la situación energética a nivel general centrándose en el caso de Sudamérica y poniendo especial atención al caso de Colombia. A continuación, se realizó un análisis detallado del lugar donde va a desarrollarse el primer prototipo del aerogenerador, se hace un estudio completo del recurso eólico de la zona, gracias a datos proporcionados por el IDEAM y en diferentes páginas de información. El tipo de viento encontrado en la zona permite que se desarrolle dentro de lo posible el aerogenerador, es de aclarar que se diseña un aerogenerador de 200 watts. Se determina el número palas necesarias para cubrir dicha demanda, posteriormente, se realizan los cálculos necesarios y se explica el diseño del Aerogenerador propuesto, así como todos sus componentes (palas, eje, generador eléctrico, sistema de transmisión y estructura).

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1. TÍTULO.

Apoyo técnico para el diseño de un aerogenerador fuente de energía renovable, con el fin de implementar un diseño que permita generar energía eléctrica en el colegio Ofelia Uribe de Acosta.

2. ALTERNATIVA

Práctica Social

3. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

Saneamiento de comunidades

4. EJE TEMÁTICO.

Energía eólica como mecanismo de generación de energía en el colegio Ofelia Uribe de Acosta.

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5. INTRODUCCIÓN.

La energía eólica es independiente de cualquier política o relación comercial, se obtiene en forma mecánica y por tanto es directamente utilizable. Su transformación en electricidad se realiza con un rendimiento excelente, muy superior al de aparatos termodinámicos. La energía eólica como energía limpia es una de las fuentes más económicas, puede competir en rentabilidad con otras fuentes energéticas tradicionales. La contaminación ambiental es mínima, cero monóxidos y bióxidos, es decir no contribuye a desmejorar la capa de ozono. Es una energía renovable. Está disponible por millones de años, ya que su fuente es el Sol, siendo este el motor en la producción de lluvias y vientos. Es la solución más razonable para viviendas aisladas. Los aerogeneradores por muchos años han sido estudiados y modificados con nuevas tecnologías que han contribuido a la transformación de energía mecánica a eléctrica. En este proyecto se realizó según la zona de estudio (Colegio Ofelia Uribe) la opción más conveniente para la creación de energía, teniendo en cuenta el fuerte viento que se da en la localidad de Usme por estar ubicada en los cerros del sur de la ciudad de Bogotá. Dando un aprovechamiento al máximo de este beneficio climático y geográfico. La primera parte de esta investigación sirve como introducción a los conceptos básicos relacionados con la energía eólica y la segunda parte se describe la forma de los componentes fundamentales de los aerogeneradores y la implementación de un tipo adecuado para la zona. En este proyecto se realizó un diseño adaptable a las condiciones del campo donde se llevará a cabo la implementación del aerogenerador teniendo en cuenta variables como materiales, alturas, viento, ubicación, suelo donde se cimentará el aerogenerador y área que se desea iluminar con este sistema de energía limpia.

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6. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN.

La consecución de nuevas tecnologías de energías limpias sostenibles y debidas al aumento del consumo de los recursos no renovables, se debe implementar el uso de recursos de energías alternativas. La energía eólica no genera residuos ni contaminación del agua, un factor importantísimo teniendo en cuenta la escasez de agua. A diferencia de los combustibles fósiles y las centrales nucleares, la energía eólica tiene una de las huellas de consumo de agua más bajas, lo que la convierte en clave para la preservación de los recursos hídricos. En Colombia se construyó el parque Eólico Jepirachi ubicado en la región nororiental de la Costa Atlántica colombiana, entre las localidades del Cabo de la Vela y Puerto Bolívar, tiene una capacidad instalada de 19,5 MW de potencia nominal, con 15 aerogeneradores de 1,3 MW cada uno, sometidos a los vientos alisios que soplan casi todo el año en esta parte de la península, a un promedio de 9,8 metros por segundo. El parque entro en funcionamiento el 19 de abril de 2004, y hace parte de un programa mayor para el aprovechamiento de la energía eólica en la Alta Guajira, está registrado como Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) por la Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático, fue uno de los primeros proyectos MDL firmados en el país y uno de los primeros en todo el mundo. Con este proyecto de grado se pretende contribuir a la comunidad de Yomasa a fortalecer la autonomía y desarrollo de propuestas sustentables como lo es este tipo de energía renovable e incentivar a la comunidad estudiantil en este caso el grupo de semilleros, para que tomen la iniciativa y el interés de realizar por medio de la investigación actividades en pro de su comunidad, obteniendo resultados viables como lo es este tipo de generación de energía renovable.

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7. PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.

El creciente deterioro de los ecosistemas y la afectación negativa, producto del aprovechamiento de los recursos naturales nos ha llevado a un escenario de degradación ambiental; esta problemática se evidencia en el día a día, mediante el continuo consumo de energías no renovables, producto de las necesidades del hombre. En Colombia hay muchos sectores especialmente en aquellos que se encuentran en las afueras de la ciudad, pocas personas conocen completamente el concepto de energía limpia o alternativa, lo que sin duda retrasa el proceso nacional de cambio hacia el uso de tipos de energías renovables, ya sea cambio de mentalidad acerca del tema o un cambio de hecho, la investigación e implementación de tecnologías y prácticas que la aprovechen. Implementar un modelo, informar acerca de este tipo de energía o de temas es fundamental para la humanidad y es sin duda la solución al problema para que las personas de toda índole busquen un cambio en beneficio de la comunidad, para que con ello se den cuenta de los beneficios y construyan equipos apropiados de cualquier tamaño y costo que aprovechen la fuente de energía alternativa para el beneficio de su comunidad la cual podría no depender del sistema interconectado nacional de energía eléctrica. En virtud de lo expuesto se establece la siguiente problemática a desarrollar: “en el país se carece de profundos cambios para la generación de energías limpias”. Por lo tanto el interrogante a resolver con el presente proyecto es: ¿Es viable y sustentable desde la ingeniería, generar energía eólica mediante un modelo de diseño para el Colegio Ofelia Uribe?

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8. OBJETIVOS

8.1. GENERAL

Desarrollar un modelo de diseño de un aerogenerador eólico, para el Colegio Ofelia Uribe, como apoyo académico desde la práctica social en el proyecto institucional Yomasa.

8.2. ESPECIFICO

Realizar el estudio de vientos para la viabilidad del aerogenerador en el colegio.

Establecer por medio del trabajo topográfico la mejor área de utilización para construir el modelo eólico.

Entregar planos record de diseño y presupuesto para la construcción y montaje del aerogenerador eólico.

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9. ALCANCES Y LIMITACIONES.

9.1. ALCANCES

El alcance del presente proyecto es desarrollar los diseños básicos para

un aerogenerador que permita la utilización de energía eólica y la

convierta en eléctrica para ser utilizada en un área específica del Colegio

Ofelia Uribe.

9.2. LIMITACIONES

Recursos y uso del suelo.

Tiempo en virtud de la investigación a desarrollar.

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10. METODOLOGÍA

Para iniciar el desarrollo de la practica social se da a conocer

algunas de las principales características del viento que se

presenta en la zona, que conforma el territorio Colombiano, lo que

nos permite identificar y reconocer el tipo de generador que se

empleara.

La segunda fase del trabajo se llevará a cabo con él apoyó de

investigaciones documentales, analizando la información de los

artículos aportados por los diferentes autores, acerca los tipos de

la obtención de la energía eólica en el territorio nacional, así como

las ventajas y desventajas de los sistemas utilizados para ello.

Se realizan estudios base para la viabilidad del proyecto, tales

como estudio de vientos, topografía para identificar el punto más

favorable de vientos ubicado en el colegio, y realizar el estudio de

suelos para verificar la capacidad portante del suelo.

Para la tercera etapa se indaga sobre el proceso de fabricación de

los aerogeneradores, lo cual involucra la descripción, operación,

mantenimiento, material uso y desarrollo del mismo, hasta la

transformación e implementación y puesta en marcha del

aerogenerador. Se estudiará las propiedades mecánicas, físicas,

presentación del producto y los enormes beneficios que aporta a

los la comunidad y el proceso positivo al impacto ambiental.

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11. CROGRAMA DE ACTIVIDADES

Cuadro de fechas y actividades a desarrollar

JULI

O

Sem1 Sem 2 Sem3 Sem4 Sem5 Sem6 Sem7 Sem8 Sem9 Sem10 Sem11 Sem12 Sem13 Sem14 Sem15 Sem16

Entrega anteproyecto a la

facultad 29

Entrega de correscciones

del anteproyecto a la

facultad

15

Busqueda de Informacion,

e investigacion15-16 15-16 21-22 29-30 3-7

Presentacion de avances a

director de Proyecto21 25 2

Estudio de vientos 9-12 14-18

Estudio Topografico 9

Estudio de suelos 9-12

Visita tecnica en el area

donde se implementara el

Aerogenerador para

Energia Eólica

20 9

Elaboracion de documento

para El Proyecto de Grado8-9 15-16 20-25 6-7 13-14 20-21 27-28 3-4 7-11

Elaboracion de articulo tipo

revista y poster 7-11

Socializacion y entrega

final del proyecto 22-24

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

ENERGÍA EÓLICA COMO MECANISMO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA EN EL COLEGIO OFELIA URIBE DE ACOSTA

AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBREACTIVIDAD

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12. PRODUCTOS A ENTREGAR.

PRODUCTOS A ENTREGAR

TIPO Nombre del producto Fecal de entrega

DOCUMENTO ANTEPROYECTO. 29 de julio del

2016

DOCUMENTO

PROYECTO

02 de Noviembre de 2016

DIVULGACION

ARTICULO

24 de Noviembre de 2016

DIVULGACION

POSTER

24 de Noviembre de 2016

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13. INSTALACIONES Y EQUIPO REQUERIDO

Para realización de esta investigación se requiere el uso de las salas de informática de la Universidad que tenga conexión a internet, y la consulta de varios textos en la biblioteca que permitan la obtención de buenas referencias, todo esto con el propósito de tener una investigación confiable y apropiada para conseguir el principal objetivo de este documento.

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14. PRESUPUESTO DEL TRABAJO Y RECURSOS FINANCIEROS.

PRESUPUESTO GLOBAL DEL ANTEPROYECTO

INGRESOS EGRESOS

Ingresos

Auxilio o patrocinio para la elaboración del trabajo.

Recurso propio (s) 450.000

Egresos

Recurso Humano –Honorarios y servicios personales-

Equipo (Se debe especificar el tipo de equipo que se va a utilizar y detallar si es en arriendo, compra…)

200.000

Materiales (pueden enlistarse por categoría, p.e. papelería, suministros, fotografías, etc…)

60.000

Viajes (transporte) 20.000

Pruebas de laboratorio 70.000

Imprevistos 20.000

Totales 450.000 370.000

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15. ESTRATEGIAS DE COMUNICACIÓN Y DIVULGACIÓN

Las estrategias de comunicación y divulgación de este proyecto de investigación serán promovidas por medio de un artículo en el cual se presentará el resumen de todo el documento y explicación de la temática a presentar en el trabajo final. Este proyecto final se dará a conocer a todos los docentes, administrativos y estudiantes al final del periodo académico, con su respectiva ponencia, poster y documentos a entregar. También se presentará ante la comunidad con la que se trabajará durante el periodo 2016-3 y los semilleros de investigación del colegio Ofelia Uribe.

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16. MARCO DE REFERENCIA

16.1. MARCO TEÓRICO.

16.1.1. HISTORIA DEL USO DEL VIENTO.

El viento es una fuente de energía limpia, gratuita e inagotable. Ha sido ocupada desde hace siglos para navegar, mover molinos, moler trigo o bombear agua. Ya en las civilizaciones sumerias o egipcias, el viento estaba presente no solo en la vida real, sino en toda clase de historias, leyendas o mitos. Las culturas más antiguas aprovechaban su fuerza para desplazarse mediante el uso de velas en los barcos. De todos es sabida la importancia del comercio en Egipto, por ejemplo, donde tuvo un gran apogeo el comercio fluvial que se desenvolvía en el río Nilo. Los griegos asociaban el viento junto a los otros elementos que dieron origen al mundo, fuego y agua, al uso de los dioses. Sus leyendas consideraban que las fuerzas de la naturaleza no podían ser controladas por el hombre, por lo que hubo cierto desinterés a la hora de aprovecharse de él. Sin embargo, en las culturas orientales esto no sucedía y de allí viene la primera noticia del uso del viento mediante un molino. Viene de la civilización Persa en el 7 d.C. con un molino de eje vertical usado para la molienda y el bombeo de agua tal como se ve en la Ilustración 8-1.1

ILUSTRACIÓN 16-1: MOLINO PERSA AÑO 7 D. C.

FUENTE: ONI.ESCUELAS.EDU.AR

1 ENERGIAS RENOVABLES {en línea} {julio 13 de 2016} disponible en: http//www.renovable.com/historia-energia-renovable.

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Además de emplearse para el riego y moler el grano, los molinos construidos entre los siglos XV y XIX tenían otras aplicaciones, como el bombeo de agua en tierras bajo el nivel del mar, aserradores de madera, fábricas de papel, prensado de semillas para producir aceite, así como para triturar todo tipo de materiales. En el siglo XIX se llegaron a construir unos 9.000 molinos en Holanda. Ver Ilustracion 8-2. El avance más importante fue la introducción del abanico de aspas, inventado en 1745, que giraba impulsado por el viento. En 1772 se introdujo el aspa con resortes. Este tipo de aspa consiste en unas cerraduras de madera que se controlan de forma manual o automática, a fin de mantener una velocidad de giro constante en caso de vientos variables. Otros avances importantes han sido los frenos hidráulicos para detener el movimiento de las aspas y la utilización de aspas aerodinámicas en forma de hélice, que incrementan el rendimiento de los molinos con vientos débiles. 2

ILUSTRACIÓN 16-2: MOLINO DE HOLANDA SIGLO XIX.

FUENTE: ONI.ESCUELAS.EDU.AR

Posteriormente, en el siglo IX los hermanos Banu Musa citan a los molinos en el "Libro de los Ingenieros Mecánicos". También los geógrafos árabes Al-Tabri y Al-Masudi mencionan que los molinos son utilizados con una doble función, como molinos harineros y como molinos de agua. El mecanismo de estos molinos constaba de un eje vertical, al igual que los

2 Ibid.,p.20.

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molinos hidráulicos usados en Italia.3 Los autores árabes explican que comenzaron a construir molinos, gracias a las explicaciones que traían los esclavos de Oriente. La importancia del invento y la utilización por parte de los árabes hace que sean ellos los introductores del invento en España. Los ingenieros islámicos también son los creadores de los molinos de eje horizontal por la necesidad de adaptar las máquinas de eje vertical al bombeo del agua, debido a que este sistema no necesita variar la fuerza motriz con engranajes. Estos molinos a vela siguen la estela de las conquistas que realiza el Islam, por todo el Mediterráneo, y por el Este hasta la India y la China. Su principal ocupación era moler la caña de azúcar. Pero las culturas islámicas no son las únicas que conocen los molinos, parece ser, que los chinos, en el año 1655, según documenta Wowles, utilizaban unos molinos de viento con ejes verticales que se parecen a los hidráulicos. Algunos historiadores sostienen, entre ellos el español Julio Caro Baroja, que estos aparatos, que reciben el nombre de panémonas y se usaban para bombear el agua en las salinas, son el precedente de los molinos persas. Pero fue a partir de la Revolución Industrial cuando el molino comienza a coger importancia. En esta época se empieza a usar de forma masiva el vapor y los combustibles fósiles como fuentes de energía motriz; además de la aparición de la electricidad. Por este consumo indiscriminado se produce un aumento de la contaminación y empiezan a aparecer las ideas de ahorro (el viento es gratis) y la limpieza del planeta. En la segunda mitad del siglo XIX aparece el primer molino propiamente dicho, el denominado "multipala americano". Fue creado por Charles Brush en los años 1886-1887. Se trataba de una turbina eólica de 12 kW, cuya energía se almacenaba en 12 baterías. Esta turbina funcionó durante 20 años, y era un gigante de 17 metros de altura y 144 palas, como se puede ver en la Ilustración 8-2. 4 3 CERECEDA T.,E.K. (2008). Energia, electricidad en el mundo que avanza. Pontificia Universidad Catolica de Chile. 4 ENERGIAS RENOVABLES,Op cit.p.21.

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ILUSTRACIÓN 16-2: PRIMER AEROGENERADOR – SIGLO XIX.

FUENTE: ENERGIAEOLICAPARATODOSLOSPUBLICOS.BLOGSPOT.COM.CO

Aunque no el primero, decisivo es el trabajo de Paul la Cour de Dinamarca quien diseño un túnel de viento para realizar primeros pruebas científicas. El descubrió que pocas y delgadas alas son más eficiente para generar electricidad y así es considerado padre de los aerogeneradores modernos (figura 4). En 1891 construyó su primer aerogenerador para la luz de una escuela, pero, en vez de cargar baterías, produjó hidrógeno para almacenar la energía. En los años 20 y 30 del último siglo se realizó una serie de importantes investigaciones y desarrollos. Albert Betz, profesor de la Universidad de Göttingen (Alemania), estableció en 1929, con su trabajo teórico, la Ley de Betz, comprobando que el máximo que se puede ganar de la energía eólica disponible es de 59.3% (actualmente, las turbinas más modernas y eficientes superan ligeramente el 50%).5

ILUSTRACIÓN 16-3: LOS AEROGENERADORES DE LA COUR DOS DE SUS AEROGENERADORES DE PRUEBA EN

1897 EN EL INSTITUTO DE ASKOV FOLK, ASKOV (DINAMARCA).

FUENTE: ENERGIAEOLICAPARATODOSLOSPUBLICOS.BLOGSPOT.COM.CO

5 ENERGIAS RENOVABLES, Op cit.p.20,21,22.

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Siguiendo la idea de Paul la Cour se empiezan a desarrollar aerogeneradores con una pala y contrapeso, dos palas, tres palas y cuatro palas. Actualmente predominan los molinos tripalas. Estos aerogeneradores giran más rápidamente que los multipalas americanos, lo que constituye una ventaja cuando se trata de alimentar máquinas de gran velocidad de rotación como los alternadores eléctricos. Adicionalmente los estudios aerodinámicos revelaron que el tripala es el compromiso adecuado en cuanto a precio y estabilidad en la rotación del rotor. Posteriormente, en 1922, el ingeniero finlandés Sigurd J. Savonius crea la turbina eléctrica Savonius (Ilustracion 8-4). Las Savonius son una de las turbinas más simples. Aerodinámicamente, son dispositivos de arrastre o resistencia que constan de dos o tres palas. Mirando el rotor desde arriba, las palas forman la figura de una S. Debido a la curvatura, las palas experimentan menos resistencia cuando se mueven en contra del viento que a favor de él. Esta diferencia causa que la turbina Savonius gire. Como es un artefacto de arrastre, la Savonius extrae mucho menos de la fuerza del viento que las turbinas de sustentación con similar tamaño. Por otro lado, no necesitan orientarse en la dirección del viento, soportan mejor las turbulencias y pueden empezar a girar con vientos de baja velocidad. Es una de las turbinas más económicas y más fáciles de usar. Las turbinas Savonius son usadas cuando el costo resulta más importante que la eficiencia. Por ejemplo, la mayoría de los anemómetros son turbinas Savonius (o de un diseño derivado), porque la eficiencia es completamente irrelevante para aquella aplicación. Savonius mucho más grandes han sido usadas para generar electricidad en boyas de aguas profundas, las cuales necesitan pequeñas cantidades de potencia y requieren poquísimo mantenimiento. La aplicación más común de la turbina Savonius es el ventilador Flettner el cual es comúnmente visto en los techos de furgonetas y buses usado como dispositivo de enfriamiento. 6

6 LUCAS SAN ROMAN, A. Aerogenerador de uso particular. En: Proyectos España. Madrid

(Octubre 2009).

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ILUSTRACIÓN 16-4: AEROGENERADOR SAVONIUS

FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES

El uso de las turbinas de viento para generar electricidad comenzó en Dinamarca a finales del siglo pasado y se ha extendido por todo el mundo. Los molinos para el bombeo de agua se emplearon a gran escala durante el asentamiento en las regiones áridas del oeste de Estados Unidos. Las energías sostenibles son energías limpias que contribuyen a cuidar el medio ambiente. Frente a los efectos contaminantes y el agotamiento de los combustibles fósiles. Las energías sostenibles son ya una alternativa hablamos ahora de la Energía solar, eólica, biomasa, energía geotérmica, energía hidroeléctrica, hidrógeno, energía de los océanos y mucho más.

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16.1.2. AEROGENERADOR

El término “energía eólica” describe el proceso por el cual el viento se usa para generar energía mecánica o eléctrica. Las turbinas eólicas convierten la energía cinética del viento en energía mecánica. La energía mecánica se puede usar para labores específicas (tales como moler grano o bombear agua), o bien, un generador puede convertir esta energía mecánica en electricidad. Una turbina de viento funciona de manera contraria a un ventilador. En vez de usar la electricidad para generar viento, como un ventilador, las turbinas usan el viento para generar electricidad. El viento hace girar las aspas y éstas hacen girar un eje, el cual se conecta a un generador y produce electricidad (Ilustración 8-5). Al igual que los molinos de viento, las turbinas van generalmente montadas sobre una torre para capturar el máximo de energía. Las turbinas de viento funcionan basadas en un principio muy sencillo. La energía en el viento hace girar dos o tres aspas similares a una hélice alrededor de un rotor. El rotor va conectado al eje principal, el cual hace girar un generador para producir electricidad, a unos 30 metros (100 pies) o más sobre el suelo, pueden aprovechar la mayor rapidez y menor turbulencia del viento. Un aspa actúa de manera muy similar al ala de un avión. Cuando sopla el viento, se forma un bolsillo de aire de baja presión en el lado inferior del aspa. El bolsillo de aire de baja presión atrae el aspa, haciendo que gire el rotor. Esto se denomina elevación. La fuerza de la elevación es mucho mayor que la fuerza del viento contra la cara lateral del aspa, la cual se denomina resistencia. La combinación de elevación y resistencia hace que el rotor gire como una hélice y el eje giratorio hace rotar un generador para producir electricidad. Las turbinas de viento se pueden usar a fin de producir electricidad para una sola vivienda o inmueble, o bien conectar a una red eléctrica La velocidad del viento y la altura de las aspas contribuyen a la cantidad de energía que se genere.

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ILUSTRACIÓN 16-5: COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR

FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES

16.1.2.1. Consideraciones básicas de carga:

Cuando se construyen aerogeneradores o helicópteros, deben tenerse en cuenta la resistencia, el comportamiento dinámico y las propiedades de fatiga de los materiales y de todo el conjunto. • Los aerogeneradores están construidos para atrapar la energía cinética del viento. • Los modernos aerogeneradores no se construyen con un gran número de palas del rotor, como en los viejos molinos de viento "americanos" que conocemos generalmente.

16.1.2.2. Cargas de fatiga:

Los aerogeneradores están sujetos a vientos fluctuantes y, por tanto, a fuerzas fluctuantes. Esto se da particularmente en el caso de estar emplazados en un clima eólico muy turbulento. Los componentes sujetos a una flexión repetida pueden desarrollar grietas, que en última instancia pueden provocar la rotura del componente.7 7 RODRIGUEZ Amenedo J.L Sistemas eólicos de producción de energía electrica. España: Rueda,

2003.

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16.1.3. TIPOS DE AEROGENERADORES

16.1.3.1. Aerogeneradores de eje horizontal: La mayor parte de la tecnología descrita se refiere a aerogeneradores de eje horizontal (o "HAWTs", que corresponde a las siglas de la denominación inglesa "horizontal axiswind turbines"). La razón es simple: todos los aerogeneradores comerciales conectados a la red se construyen actualmente con un rotor tipo hélice de eje horizontal.

ILUSTRACIÓN 16-6: AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL

FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES

Como probablemente recordará, en las clásicas norias de agua el agua llegaba en ángulo recto (perpendicular) respecto al eje de rotación de la noria. Los aerogeneradores de eje vertical (o "VAWTs", como algunos les llaman) son como las norias en ese sentido (algunos tipos de turbinas de eje vertical realmente también podrían trabajar con un eje horizontal, aunque apenas serían capaces de mejorar la eficiencia de una turbina de tipo hélice).

16.1.3.1.1. Ventajas:

• Puede situar el generador, el multiplicador, etc. en el suelo, y puede no tener que necesitar una torre para la máquina. • No necesita un mecanismo de orientación para girar el rotor en contra del viento.

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16.1.3.1.2. Desventajas:

• Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por lo que a pesar de que puede ahorrase la torre, sus velocidades de viento serán muy bajas en la parte más inferior de su rotor. 8 •

16.1.3.2. Aerogenerador tripala La razón más importante es la estabilidad de la turbina. Un rotor con un número impar de palas (y como mínimo tres palas) puede ser considerado como un disco a la hora de calcular las propiedades dinámicas de la máquina. Un rotor con un número par de palas puede dar problemas de estabilidad en una máquina que tenga una estructura rígida. La razón es que en el preciso instante en que la pala más alta se flexiona hacia atrás, debido a que obtiene la máxima potencia del viento, la pala más baja pasa por la sombra del viento de enfrente de la torre. La mayoría de aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor a barlovento (en la cara de la torre que da al viento), usando motores eléctricos en sus mecanismos de orientación. A este diseño se le suele llamar el clásico "concepto danés", y tiende a imponerse como estándar al resto de conceptos evaluados.9

ILUSTRACIÓN 16-7: AEROGENERADOR TRI PALA O DANÉS

8 ENERGIZAR, “Desarrollo humanao “ {En línea}{Agosto 12 de 2016} disponible en: http//www.energizar.org.ar. 9 Ibid.,p.29.

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FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES

16.1.3.3. aerogeneradores de eje vertical.

Los aerogeneradores verticales o de eje vertical no necesitan mecanismo de orientación y lo que sería el generador eléctrico se puede encontrar situado en el suelo.Su producción energética es menor y tiene algunos pequeños hándicaps como que necesita ser motorizado para que se le pueda poner en marcha. Existen tres tipos de aerogeneradores verticales como son Savonius, Giromill y Darrrieus.10

ILUSTRACIÓN 16-8 AEROGENERADOR EJE HORIZONTAL

10 RENOVABLES VERDES, “Aerogeneradores”{ En línea} {Agosto 23 de 2016} disponible en:

(www.renobablesverdes.com/aerogeneradores. )

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FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES

16.1.3.3.1. Tipo Savonius:

Este se caracteriza por estar formado por dos semicírculos desplazados horizontalmente a una determinada distancia, a través de la cual se desplaza el aire, por lo que desarrolla poca potencia.

16.1.3.3.2. Giromil:

Destaca por tener un conjunto de palas verticales unidas con dos barras en el eje vertical y ofrece un rango de suministro energético de 10 a 20 Kw.

16.1.3.3.3. Darrieus:

Formado por dos o tres palas biconvexas unidas al eje vertical por la parte inferior y superior, permite aprovechar el viento dentro de una banda ancha de velocidades. El inconveniente que posee es que no se encienden por si solos y necesitan un rotor Savonius.

16.1.4. ENERGÍA EÓLICA EN COLOMBIA

El viento es una forma de energía solar. Los vientos son causados por un calentamiento desparejo de la atmósfera por parte del sol, irregularidades en la superficie de la tierra y la rotación del planeta. Los patrones de flujos eólicos son modificados por el terreno irregular de la tierra, las masas de

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agua y la vegetación. Los seres humanos usan el flujo de viento, o la energía motriz, para múltiples fines: navegar, volar un cometa e incluso para generar electricidad. El término “energía eólica” describe el proceso por el cual el viento se usa para generar energía mecánica o eléctrica. Las turbinas eólicas convierten la energía cinética del viento en energía mecánica. La energía mecánica se puede usar para labores específicas (tales como moler grano o bombear agua), o bien, un generador puede convertir esta energía mecánica en electricidad. Uno de los primeros trabajos en tal sentido fue adelantado por el Ingeniero Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda11 en 1997, mediante un mapa de vientos para una parte del territorio. El Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (Ideam)12 realizan actividades de recolección y procesamiento de datos en tal sentido. A escala macro, la región más atractiva desde el punto de vista eólico es la Costa Atlántica Colombiana, donde los vientos aumentan en dirección a la península de La Guajira. Se han identificado otras regiones de interés como el departamento de Arauca y algunas zonas de los altiplanos en las cordilleras. Por el evidente atractivo de La Guajira, las actividades de EPM se concentraron en dicha región. En efecto, la información disponible sobre la Media y Alta Guajira, indica que esta zona podría representar una de las alternativas con mayores posibilidades futuras para la generación eólica, tanto por sus fuertes vientos, como por otras particularidades -dirección, distribución de frecuencias y complementariedad con el régimen hidrológico-, además de las excelentes condiciones físicas para parques eólicos. Localmente, según el Mapa Eólico de Colombia de 2006, se destacaron 16 lugares de Colombia donde las intensidades del viento son importantes para el aprovechamiento del recurso eólico. 3 sitios donde los vientos son persistentes y superiores a 5m/s durante todo el año: Galerazamba en el Departamento de Bolívar, Gachaneca en Boyacá y la isla de San Andrés en el mar Caribe colombiano. 3 sitios donde las velocidades son persistentes pero en el rango entre los 4 y 5m/s: La Legiosa en el Huila, Isla de Providencia en el Mar Caribe y Riohacha en

11 PINILLA SEPULVEDA Alvaro Enrique, Investigador Universidad de los Andes Colombia. 12 IDEAM; institución pública de apoyo técnico y científico al Sistema Nacional Ambiental, que genera conocimiento, produce información confiable, consistente y oportuna, sobre el estado y las dinámicas de los recursos naturales y del medio ambiente.

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La Guajira. Los restantes 10 lugares no guardan una gran persistencia en la velocidad del viento excepto para determinadas épocas y/u horas del año como son: Villacarmen en Boyacá, Obonuco en Nariño, Cúcuta y Ábrego en Norte de Santander, Urrao en Antioquia, Soledad en Atlántico, Santa Marta en Magdalena, Bucaramanga en Santander, Anchique en Tolima y Bogotá en Cundinamarca. Asimismo, una aproximación del comportamiento de la densidad de energía a 50 metros de altura en Colombia es el que se presenta a continuación: • Durante todo el año, valores de densidad de energía eólica entre 2.197 y 2.744 W/m2, alcanzando aun valores entre 2.744 y 3.375 W/m2, se mantienen en la Península de La Guajira. Al igual que el campo del viento y de densidad de energía eólica a 20 metros de altura, la densidad de energía eólica a 50 metros en el resto del país presenta variaciones dentro del ciclo estacional. • Para el período comprendido entre diciembre y abril, se observan valores de densidad de energía eólica entre 343-542 W/m2 en la cuenca del río Sinú al noroccidente de Antioquia, límites entre Tolima y Risaralda, Catatumbo a la altura de Norte de Santander, en los límites entre los departamentos de Huila y Meta, así como en Casanare sobre los Llanos Orientales. Valores de densidad de energía entre 729 y 1.000 W/m2, se observa sobre el Golfo de Urabá, en el Bajo Magdalena y la cuenca del Cesar en los departamentos de Bolívar, Atlántico, Norte de Santander y centro del Cesar. No obstante, hacia abril hay una reducción de estos valores por causas explicadas anteriormente. La empresa colombiana multiservicios EPM está estudiando construir un parque eólico en la costa norte de Colombia que sumaría 200-400 MW de capacidad. A tal fin, la integrada colombiana Empresas Públicas de Medellín (EPM) y la agencia de desarrollo alemana GTZ realizan estudios de viabilidad desde enero de este año. Los Parques Eólicos de Empresas Públicas de Medellín (EPM) en La Guajira y el Túnel de Oriente de la Gobernación de Antioquia son los más importantes del país, donde la eólica es aún muy incipiente. El Parque Eólico Jepirachi en funcionamiento desde abril de 2004, tiene el honor de ser el primer generador de energía de este tipo en Colombia. Jepírachi está conformado por 15 aerogeneradores Nordex N60/250 que producen 1,3 MW cada una (juntos generan un total de 19,5 MW) y están

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distribuidas en un terreno de 1,2 Km2 paralelo a la costa de la guajira colombiana. Las penínsulas de la Guajira y Paraguaná son barridas casi todo el año por los vientos alisios que soplan desde el mar Caribe con rumbo nordeste suroeste. Esta dos penínsulas, las más septentrionales de América del sur, conforman, conjuntamente con las más sureñas de las Antillas menores (Aruba, Curazao y Bonaire) el Cinturón Árido Pericaribeño. La velocidad del viento en la Península de Paraguaná oscila entre los 7 y los 9 metros por segundos, esto es, de 25 a 30 kilómetros por hora, siendo en La Guajira un poco menor, lo que constituyen, escenarios óptimos para la instalación de molinos eólicos agrupados en grandes cantidades (parques eólicos) que sirvan para generar electricidad en forma barata, ecológica y sostenible. Colombia ha instalado en los últimos años 2 grandes parques eólicos en su departamento de La Guajira: El parque eólico Jepirachi ubicado en la alta Guajira, con 15 aerogeneradores inaugurada en el año 2003, y el parque eólico Wayúu ubicado entere le cabo de la vela y puerto Bolívar con capacidad para 20 megavatios. El parque eólico Wayúu se construyó en una zona intermedia entre el Cabo de La Vela y Puerto Bolívar, donde los vientos alisios del noreste tienen mayor fuerza. Se instalarán cuando esté concluido de 15 a 30 torres de aproximadamente 60 metros de altura, con palas cuyos brazos tendrán de 20 a 30 metros. La capacidad de generación será 20 megavatios, máximo permitido por la legislación colombiana para que centrales de energía alternativa entren al mercado regulado de la bolsa nacional energética, que atiende el sistema interconectado nacional. Las características técnicas del parque Wayúu son similares a las del parque eólico de Jepirachi, construido por empresas públicas de Medellín con tecnología de Alemania y apoyo de la agencia de cooperación GTZ de ese país. ”El parque eólico de La Guajira es un ejemplo muy claro” del tipo de iniciativas que apoya la cooperación holandesa, señaló Sylvia van Uden, encargada de asuntos económicos y comerciales de la embajada de Holanda en Colombia.

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En Wayúu ESP también participa la empresa Estrategias y Desarrollos, especializada en energía y medio ambiente, el Instituto de Hidrología y Meteorología tiene interés en asociarse con el proyecto, y se espera concretar un contrato de venta de energía a una institución gubernamental. Jepírachi, significa “vientos que vienen del nordeste en dirección del Cabo de la Vela” en Wayuunaiki, la lengua nativa Wayuu, es el primer parque para la generación de energía eólica construido en el país. Es una experiencia piloto que hace parte del Programa general de investigaciones, proyectos y actividades asociadas para el desarrollo de la energía eólica en Colombia, con el cual se pretende adquirir conocimientos sobre esta energía, verificar su desempeño y realizar la adaptación tecnológica a las características particulares de medio Colombiano. Jepírachi es un parque experimental, un laboratorio para conocer y aprender sobre una energía limpia y renovable como la eólica, que puede ser alternativa de abastecimiento energético para el país en el futuro, siempre y cuando los resultados de las evaluaciones demuestren su viabilidad económica, técnica y ambiental, y sea acogida por el sector eléctrico colombiano. La construcción del parque se realizó con la autorización de la comunidad Wayuu para el uso de su territorio, y con el permiso de la Corporación Autónoma Regional de La Guajira, Corpoguajira, para la ejecución de las obras. La gestión social desarrollada para viabilizar el proyecto, tuvo y tiene como eje la participación efectiva de las comunidades en las diferentes etapas del proceso, y se fundamenta en el respeto por la integridad étnica y cultural de las comunidades Wayuu, en el establecimiento de relaciones de confianza, en la búsqueda de la equidad y el beneficio comunitario, sin actitudes paternalistas y mediante la aplicación de principios de actuación y de convivencia intercultural. La construcción del parque se realizó en 14 meses y durante ella se adecuaron 11 Km. de vías, patios de trabajo, plazoletas para los aerogeneradores, se construyó una caseta para reuniones con las comunidades y se adecuaron instalaciones temporales como oficinas,

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pues no se construyeron campamentos.13 De todas estas ventajas, es importante destacar que la energía eólica no emite sustancias tóxicas ni contaminantes del aire, que pueden ser muy perjudiciales para el medio ambiente y el ser humano. Las sustancias tóxicas pueden acidificar los ecosistemas terrestres y acuáticos, y corroer edificios. Los contaminantes de aire pueden desencadenar enfermedades del corazón, cáncer y enfermedades respiratorias como el asma. La energía eólica no genera residuos ni contaminación del agua, un factor importantísimo teniendo en cuenta la escasez de agua. A diferencia de los combustibles fósiles y las centrales nucleares, la energía eólica tiene una de las huellas de consumo de agua más bajas, lo que la convierte en clave para la preservación de los recursos hídricos. Beneficios:

Energía que se renueva

Inagotable

No contaminante

Reduce el uso de combustibles fósiles

Reduce las importaciones energéticas

Contribuye al desarrollo sostenible La energía eólica suministra actualmente más del 3% del consumo mundial de electricidad y se espera que para 2020 se supere el 5%. A más largo plazo (2040), la Agencia Internacional de la Energía prevé que la energía del viento pueda cubrir el 9% de la demanda eléctrica mundial y más del 20% en Europa. España ha sido uno de los países pioneros y líderes en el aprovechamiento del viento para producir electricidad. Treinta años después de instalarse el primer aerogenerador en el país, España consiguió ser el primer país del mundo en el que la energía eólica fuese la principal fuente de generación eléctrica durante un año entero (en 2013, con el 20,9% de la producción total), lo que le sitúa también como un país muy avanzado en las soluciones tecnológicas que permiten su integración en red. Aunque la implantación eólica se ha ralentizado en los últimos años, España sigue siendo, con unos 23.000 MW instalados al cierre de 2015, el segundo país europeo por potencia eólica operativa después de Alemania ( 43.723 MW), y el quinto del mundo, tras China (138.060

13 EPM Colombia 2009

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MW), EE.UU. (71.000 MW) e India(25.219 MW), según las estimaciones de la citada consultora. Los vientos en Colombia están entre los mejores de Sudamérica. Regiones en donde se han investigado, como en el departamento de la Guajira, han sido clasificados vientos clase 7 (cerca de los 10 metros por segundo (m/s)). La única otra región con esta clasificación en Latinoamérica es la Patagonia, ubicada en Chile y Argentina. Colombia tiene un potencial estimado de energía eólica de 21GW solamente en el departamento de la Guajira (lo suficiente para satisfacer casi dos veces la demanda nacional de energía). Sin embargo, el país solamente ha instalado 19.5MW en energía eólica, explotando 0.4% de su potencial teórico. Esta capacidad la aprovecha principalmente el Parque de Jepirachí, desarrollado por Empresas Públicas de Medellín (EPM) bajo Carbón Finance, un mecanismo anexado al Banco Mundial. También hay varios proyectos bajo consideración, incluyendo un parque eólico de 200MW en Ipapure. 14 En lo que a recursos renovables se refiere mundialmente, todos los países de la región latinoamericana cuentan con abundantes recursos (radiación solar, viento, altas precipitaciones, mareas,…). El problema que tienen las energías renovables en esta zona, son los costos elevados que tienen los equipos y la tecnología que éstos conllevan, pues la mayoría de estos países no dispone de la capacidad necesaria para instalarlos. Además de esto, otro inconveniente es el hecho de que están poco desarrolladas las mediciones de los recursos, para adecuar correctamente estos a las necesidades energéticas. En cuanto a la energía eólica, ésta sigue creciendo en Latinoamérica, aunque este crecimiento tiene unas grandes diferencias entre los distintos países. ILUSTRACIÓN 16-9: POTENCIA EÓLICA INSTALADA EN LATINOAMÉRICA EN MW POR PAÍSES A FINALES DE

2010.

FUENTE: ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ENERGÍA EÓLICA (LAWEA)

14 ATLAS DE VIENTO, Atlas de viento y energía eólica Colombia Junio 2012.

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17. MARCO CONCEPTUAL.

17.1. GENERACIÓN ENERGÍA EÓLICA

El viento es una forma de energía solar. Los vientos son causados por un calentamiento desparejo de la atmósfera por parte del sol, irregularidades en la superficie de la tierra y la rotación del planeta. Los patrones de flujos eólicos son modificados por el terreno irregular de la tierra, las masas de agua y la vegetación. Los seres humanos usan el flujo de viento, o la energía motriz, para múltiples fines: navegar, volar un cometa e incluso para generar electricidad.

ILUSTRACIÓN 17-1: PARTES DE UN AEROGENERADOR.

FUENTE: ACADEMICA.E.UNAVARRA.ES

Aerogenerador: Es una máquina que produce un movimiento de rotación aprovechando la fuerza del viento

Rotor: Su función es convertir la energía cinética del viento en energía mecánica de rotación, son el conjunto de componentes del aerogenerador que giran fuera de la góndola. Está compuesto por

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las palas, el buje y la nariz.

Palas: son el elemento del aerogenerador que por aprovechamiento aerodinámico capturan la energía del viento y transmiten su potencia hacia el buje al que están conectadas.

Buje: es el elemento de unión entre las palas y el sistema de rotación, ya que este está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.

Cono o nariz: es la cubierta metálica con forma cónica que se encara al viento, y lo desvía hacia el tren motor. Debe tener la forma aerodinámica adecuada para impedir la formación de turbulencias.

Eje de baja velocidad: Es el encargado de conectar el buje del rotor con la multiplicadora y transmitir la energía captada por las palas.

Multiplicadora: Debido a que la velocidad a la que gira el rotor es mucho menor a la que necesita el generador para producir electricidad, se necesita de una multiplicadora, para aumentar la velocidad a la que gira el rotor y así lograr el accionamiento del generador. La multiplicadora conecta el eje de baja velocidad del rotor con el eje de alta velocidad del generador. Con ella se consigue la conversión entre potencia de alto par torsor, que se obtiene del rotor girando lentamente, y la potencia de bajo par torsor, a alta velocidad, que se utiliza en el generador, se caracteriza por su relación de transformación, definida como la relación entre la velocidad de giro del eje de entrada (lado del rotor) y la del eje de salida (lado del generador eléctrico).

Eje de alta velocidad: Es el encargado del accionamiento del generador eléctrico.

Generador eléctrico: Su función es convertir la energía mecánica de rotación que le entrega la multiplicadora, en energía eléctrica. El generador eléctrico de un aerogenerador tiene que trabajar bajo niveles de cargas fluctuantes debido a las variaciones en la velocidad del viento.

Góndola: La góndola encierra en su interior la multiplicadora, el generador eléctrico y los sistemas auxiliares del aerogenerador y

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dispone de una cubierta de protección y de insonorización de los componentes de la máquina. También incorpora las aberturas necesarias para lograr una ventilación efectiva del multiplicador y del generador.

Sistema de regulación y control: Este sistema tiene como función, mantener la velocidad de rotación constante y regular, y limitar la potencia eólica aprovechada o recuperada por el rotor. Cuando la velocidad del viento es menor a la de conexión o mayor a la de desconexión, el sistema de control frena el aerogenerador como medio para prevenir daños. Para lograr esto, el aerogenerador cuenta con dos tipos de frenos, el freno aerodinámico y el freno mecánico. El primero, frena el aerogenerador por medio del giro del ángulo de las palas, gracias a esto el aerogenerador se detiene de forma suave y segura en unas pocas vueltas, cuando se aplica este freno, el aerogenerador queda en estado de libre giro pero no detenido completamente. El freno mecánico es un freno de disco situado en el eje de alta velocidad del multiplicador, éste, frena completamente el aerogenerador, se usa en caso de emergencia (fallo del freno aerodinámico) o durante las tareas de mantenimiento, para inmovilización por seguridad.

Sistema de orientación: Este sistema tiene como función orientar el rotor de forma que quede colocado de forma perpendicular a la dirección del viento y así presente siempre la mayor superficie de captación.

Anemómetro: Se utiliza para medir la velocidad del viento.

Veleta: Se utiliza para medir la dirección del viento.

Sistema hidráulico: Proporciona la potencia hidráulica para los accionamientos del aerogenerador (Palas).

Torre: Es la encargada de soportar la góndola y el rotor. Cuanta más alta sea la torre mayor cantidad de energía podrá obtenerse, ya que la velocidad del viento aumenta con la altura respecto al nivel del suelo.

Cimentación: Plataforma de alta resistencia sobre la cual se dispone el conjunto del aerogenerador.

51

La clasificación por potencia nominal divide las máquinas eólicas en los siguientes grupos:

Microturbinas (<3kW): Suelen ser utilizadas en sistemas aislados para generar electricidad que posteriormente servirá para cargar unas baterías de almacenamiento. El generador eléctrico que normalmente utilizan es de imanes permanentes, y no suelen contar con caja multiplicadora entre el eje del rotor del aerogenerador y el generador eléctrico. Habitualmente se trata de máquinas de eje horizontal con tres palas y diámetros pequeños (entre 1 y 5 metros) que trabajan a velocidades de rotación elevadas y generalmente variables. La electricidad que producen está en forma de corriente alterna de frecuenta variable, por lo que ésta es rectificada, almacenada en baterías y posteriormente se convierte de nuevo en alterna pero de frecuencia constante mediante un inversor. Finalmente un transformador es el que se encarga de subir la tensión a la que requiera el servicio. Ejemplo: máquinas eólicas que se encargan de accionar bombas hidráulicas para la extracción de agua de los pozos.

Pequeños aerogeneradores (<50kW):

También suelen ser utilizados en sistemas aislados para generar electricidad que posteriormente servirá para cargar unas baterías de almacenamiento, es decir, cubren una demanda similar a la del grupo anterior, pero teniendo una mayor potencia. Además, también suelen utilizarse para formar sistemas híbridos, es decir, sistemas que combinan la energía eólica con otro tipo de energía como puede ser solar, hidráulica, diésel. Si la potencia es hasta 10kW el tipo de generador eléctrico sigue siendo de imanes permanentes y sin hacer uso de caja multiplicadora. Sin embargo, para una gama de potencias más alta se introducen cajas de engranajes entre el eje del rotor y el del generador, ya que el generador eléctrico funciona a unas velocidades mucho mayores que las del rotor del aerogenerador. Ejemplo: máquinas eólicas que se encargan de la iluminación de granjas de animales.

52

Grandes aerogeneradores (<850kW):

En este caso, la producción de electricidad ya se inyecta a la red. Suelen ser aerogeneradores rápidos de eje horizontal que cuentan normalmente con tres palas. Sus potencias suelen estar comprendidas entre 200 y 850 kW y sus diámetros entre 25 y 55 metros. Cuentan con cajas de engranajes para aumentar la velocidad y así poder accionar el generador eléctrico y sus palas suelen contar con un sistema de regulación (ya sea activo o pasivo) mediante el que se controla la potencia del rotor en función de la velocidad del viento. Ejemplo: parques eólicos cuando éstos se encuentran en terrenos complejos.

Aerogeneradores multimegawat (1-3MW): La electricidad que producen también se inyecta a la red. Son similares a los anteriores en cuanto a cajas de engranajes y sistemas de regulación, sin embargo sus diámetros son mucho mayores (entre 50 y 90 metros) y su altura suele estar entre 60 y 100 metros. Ejemplo: parques eólicos offshore.

17.2. CONVERSION DE LA ENERGIA EOLICA EN ENERGIA ELECTRICA

La conversión de la energía eólica en energía eléctrica se lleva a cabo de la siguiente manera. La energía disponible en el viento es energía cinética, dicha energía es la que choca con las palas del rotor y estas palas la convierten en energía mecánica. El rotor se encuentra conectado al eje, y el par motor en dicho eje puede hacer trabajos mecánicos o generar electricidad. Dependiendo del diseño aerodinámico de la pala, el viento, al actuar en las palas, produce un levantamiento o un arrastre. En el levantamiento lo que ocurre es que se produce una presión diferente en cada lado de la superficie del rotor, haciendo que el plano aerodinámico se levante. En el arrastre el viento golpea físicamente al rotor y lo arrastra con esa fuerza de choque. En cuanto a eficiencia se prefiere el levantamiento y las máquinas más modernas emplean este principio en su operación.

53

Aun con todo, se sabe que por la Ley de Betz, solamente puede aprovecharse el 59,6% de la energía disponible del viento, ya que si fuera posible la extracción de toda la energía en movimiento del viento, justo detrás de las palas se quedaría una gran cantidad de aire en calma, por lo que bloquearía el acceso de más aire a las palas. Una vez que ya se ha extraído la energía del viento, esta energía mecánica es convertida en energía eléctrica mediante un generador eléctrico, el cual puede ser de muy diversos tipos dependiendo de cómo sea el aerogenerador (según su potencia nominal y su uso. Por tanto, en esta conversión de energía mecánica a energía eléctrica también habrá unas determinadas pérdidas, las cuales también dependerán del tipo de generador seleccionado. Los sistemas eólicos pequeños para generación de electricidad pueden proporcionarle una fuente práctica y económica de electricidad, siempre y cuando: • La ubicación cuenta con un buen recurso eólico • Las cláusulas o normas permiten la instalación de turbinas eólicas El nivel de ruido de las turbinas eólicas residenciales modernas está entre los 52 y 55 decibelios. Esto significa que se puede distinguir el ruido de la turbina eólica únicamente si uno se lo propone y se concentra en hacerlo.

17.3. FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS EÓLICAS

El viento se genera por un calentamiento irregular de la superficie terrestre por parte del sol. Las turbinas eólicas convierten la energía cinética del viento en energía mecánica, la cual acciona un generador que produce energía eléctrica limpia. Actualmente, las turbinas eólicas son versátiles fuentes de electricidad. Sus alabes o “palas” tienen un diseño aerodinámico que les permite capturar la mayor cantidad de energía del viento, pues éste las hace rotar, accionando una flecha acoplada al generador y así obtener electricidad.

54

ILUSTRACIÓN 17-2: TURBINA EÓLICA WHISPER H175 DE 3 KILOWATTS, SE ENCUENTRA INSTALADA EN UNA

TORRE DE 50 PIES, CONECTADA A LA RED PARA COMPENSAR EL SUMINISTRO DE ENERGÍA DE LA RED

CONVENCIONAL.

FUENTE: GUÍA ENERGÍA EÓLICA, DEPARTAMENTO DE ENERGÍA EE.UU.

El tamaño de la turbina depende del uso que vaya a hacer de ella. El rango de turbinas pequeñas se encuentra entre los 20 watts y los 100 kilowatts. Las más pequeñas o “micro” (de 20 a 500 watts) se emplean en una gran variedad de aplicaciones, tales como la carga de baterías para vehículos recreacionales y de veleros. Las turbinas de 1 a 10 kilowatts pueden ser usadas para bombear agua. La energía eólica ha sido usada por siglos en esta aplicación y para la molienda de granos. Aunque los molinos de viento mecánicos aún son una opción sensiblemente de bajo costo para el bombeo de agua en zonas de poco viento, los granjeros y propietarios de ranchos han descubierto que el bombeo eoloeléctrico es más versátil y pueden bombear el doble de volumen de agua. Los sistemas eoloeléctricos pueden ser colocados donde se encuentra el mejor recurso del viento y conectarse al motor de una bomba mediante un cableado apropiado.

Las turbinas para aplicaciones residenciales pueden estar en el rango de los 400 watts y hasta los 100 kW (para cargas muy grandes), dependiendo de la cantidad de electricidad que se desee generar.

55

Debido a que la eficiencia energética es más barata que la producción de energía, aplicando estas prácticas seguramente se obtendrá mejores resultados de costo / beneficio y como consecuencia requerirá una turbina de menor tamaño. Un hogar típico consume aproximadamente 9,400 kilowatt-horas al año (cerca de 780 kWh por mes). Dependiendo de la velocidad promedio del viento en el área una turbina de potencia nominal de entre 5 y 10 kilowatts, podría hacer una contribución importante para esta demanda. Una turbina de 1.5 kilowatts podría cubrir las necesidades en un hogar que consuma alrededor de 300 kWh al mes en un sitio con una velocidad de 14 millas por hora (6.26 metros por segundo) de velocidad promedio anual. Aunque la mayoría de las turbinas cuentan con sistemas de control para evitar que gire a altas velocidades cuando existen vientos muy intensos y sufrir algún desperfecto.15

17.4. PROTOTIPO DE AEROGENERADOR Los aerogeneradores de eje vertical no son muy comunes ya que tienen una eficiencia menor que los de eje horizontal. Sin embargo, en el caso de electrificación rural se busca más la sencillez tanto en diseño, fabricación, montaje y mantenimiento, que la eficiencia. El hecho de diseñar un aerogenerador Savonius se debe a que dentro de los aerogeneradores de eje vertical se trata del más sencillo en fabricación e instalación. Así, necesita un mantenimiento mínimo, tiene un costo bajo, consigue arrancar con poco viento y no necesita de un sistema de orientación del viento, ya que funciona con vientos de cualquier dirección. De debido a que funciona gracias al arrastre que produce el viento en sus palas (la diferencia de arrastre que se genera en las palas -una es cóncava y la otra convexa- causa un momento de torsión total respecto al eje distinto de cero en la presencia de suficiente viento, produciendo el giro), implica que exista una gran pérdida de energía causada por el rozamiento con el aire de la pala que va en contra del viento

15 DEPARTAMENTO DE ENERGIA E.E.U.U Sistemas Eólicos pequeños para generación de Electricidad, Estado Unidos. Septiembre 2007

56

ILUSTRACIÓN 17-3: COMPORTAMIENTO DEL VIENTO

FUENTE: ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ENERGÍA EÓLICA (LAWEA)

Un buen aerogenerador de eje vertical puede tener un coeficiente de potencia Cp (Potencia Extraída/Potencia Disponible en el Viento) cercano a 0,45 (máximo teórico, o límite de Betz: 0,593), un Savonius Tradicional difícilmente superará un 0,2 como Cp.

ILUSTRACIÓN 17-4: VELOCIDAD TANGENCIAL VS COEFICIENTE DE POTENCIA

57

FUENTE: ASOCIACIÓN LATINOAMERICANA DE ENERGÍA EÓLICA (LAWEA)

17.5. LOCALIZACION El prototipo diseñado es un Aerogenerador tipo Savonius cuya función sería suministrar energía eléctrica a un salón de clases del Colegio Ofelia Uribe ubicado en Yomasa Localidad de Usme, Por ello, tendría que tener una serie de características específicas:

Facilidad de instalación y desinstalación ya que se colocaría en la parte más alta que tiene el Colegio (ver Fotografías)

Que el Aerogenerador diseñado sea de peso bajo.

Que reciba viento suficiente, es decir, que no haya edificios más altos que la posición del aerogenerador u obstáculos que dificulten la recepción del viento.

Fácil acceso para mantenimiento Como podemos observar en el mapa de Colombia en general la velocidad del Viento se encuentra en el rango de 3-5 m/s. Este dato tomado del Atlas del IDEAM es con respecto a Bogotá, analizando la localidad y el sitio donde se colocará el Aerogenerador es probable que la velocidad del tiempo sea aún mayor que la indicada.

58

En el momento no se cuenta con un mapa de vientos detallado de Colombia, si no por el contrario se encuentra disponible uno general de Colombia por Ciudades Principales. En la localización se puede observar que no se tiene ningún obstáculo por lo menos a kilómetros, es decir no tiene arboles ni edificaciones que puedan obstruir la circulación del viento, dándole así una muy buena opción y eficaz de funcionamiento.16

ILUSTRACIÓN 17-5: OBSTRUCCIÓN DEL VIENTO

FUENTE: GUÍA ENERGÍA EÓLICA, DEPARTAMENTO DE ENERGÍA EE.UU.

Registro fotográfico de la ubicación del aerogenerador Colegio Ofelia Uribe:

ILUSTRACIÓN 17-6: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA

16 Ibid.,p.43.

59

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

ILUSTRACIÓN 17-7: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

ILUSTRACIÓN 17-8: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA

FUENTE: PROPIA

ILUSTRACIÓN 17-9: PARTE MÁS ALTA DEL COLEGIO OFELIA URIBE ACOSTA

60

FUENTE: PROPIA

ILUSTRACIÓN 17-10: UBICACIÓN DEL AEROGENERADOR EN EL COLEGIO

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

En estas fotografías podemos observar que donde se dispone implantar

el aerogenerador es la zona más alta del colegio, no tiene obstrucciones

de viento, ni por la edificación ni por arboles de alturas considerables.

Fotografías tomadas el 18 de Julio de 2016 (Visita al colegio para conocer

el sitio de ubicación para el aerogenerador.)

61

ILUSTRACIÓN 17-11: VIENTO MÁS PROBABLE EN COLOMBIA

(BOGOTÁ).

FUENTE: ATLAS IDEAM

62

ILUSTRACIÓN 17-12: PERIODO DE RETORNO DE LA VELOCIDAD MÁXIMA EN COLOMBIA (BOGOTÁ).

FUENTE: ATLAS IDEAM

ILUSTRACIÓN 17-13: DENSIDAD DEL AIRE EN COLOMBIA (BOGOTÁ).

63

FUENTE: ATLAS IDEAM

ILUSTRACIÓN 17-14: TIEMPO EN USME – OCTUBRE DE 2016

64

FUENTE: GETAMAP.NET

ILUSTRACIÓN 17-15: TIEMPO EN USEME – OCTUBRE DE 2016

FUENTE: GETAMAP.NET

En etas graficas podemos observar como se comporta el viento en la zona especifica de localizacion del aerogenerador.

65

ILUSTRACIÓN 17-16: ROSA DE VIENTOS EN BOGOTA

FUENTE: IDEAM

ILUSTRACIÓN 17-17: LOCALIZACIÓN COLEGIO OFELIA URIBE

FUENTE: GOOGLE MAPS.

66

18. CONDICIONES DEL VIENTO EN EL COLEGIO OFELIA URIBE

18.1. AFORO DEL VIENTO

En el colegio Ofelia Uribe se realizaron las mediciones del viento con un

Anemómetro con las siguientes características:

Rango: 0-30 m/s, 0-90 km/h, 0-5.860 ft/min, 0-65 mph, 0-55 nudos.

Resolución: 0,1 m/s, 0,3 km/h, 19 ft/min, 0,2 mph, 0,2 nudos.

Umbral: 0,1 m/s, 0,3 km/ h, 39 ft/min, 0,2 mph, 0,1 nudos.

Precisión: +/- 5%.

Rango: Entre -10 ° C y 45 ° C (entre 14 ° F y 113 ° F).

Resolución: 0,2 ° C, 0,36 ° F.

Precisión: ± 2 ° C, ± 3.6 ° F.

Termómetro: Termómetro NTC.

Temperatura de funcionamiento: entre -10 ° C y +45 ° C (entre 14 °

F y 113 ° F).

Humedad de funcionamiento: Menor o igual a 90% RH

Temperatura de almacenamiento: entre -40 ° C y +60 ° C, entre 40

° F y 140 ° F.

Las mediciones del viento se realizaron con el siguiente procedimiento:

Se colocó el anemómetro en la zona donde se va instalar el

aerogenerador, a una altura de 2 m, teniendo en cuenta que la

zona está en la parte más alta del lote del Colegio.

67

Se hicieron lo aforos por aproximadamente 20 segundos cada uno,

tomando nota de los m/s promedio y los datos de los m/s mas altos

que se presentaban en los segundos de aforo.

Los aforos se realizaron en el mes de noviembre dejando la

anotación que es una temporada donde no se presentan los

fuertes vientos como en el mes de Agosto.

Las mediciones se realizaron a diferentes horas del día, a las 10:00

am, 12:00 pm y 3:00 pm, con la ayuda del profesor Andrey.

ILUSTRACIÓN 18-1 AFORO DEL VIENTO

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

68

ILUSTRACIÓN 18-2 UBICACIÓN DEL

AEROGENERADOR

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

ILUSTRACIÓN 18.3 UBICACIÓN DEL AEROGENERADOR

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

69

ILUSTRACIÓN 18.4 PANORÁMICA DE LA UBICACIÓN DEL AEROGENERADOR

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

En las fotografías podemos observar que en la zona donde se va a

instalar el aerogenerador es la parte más alta del colegio, ésta ubicación

es en la parte posterior, cuando se realizó la topografía se evidencio que

hay dos puntos altos donde podría construirse el aerogenerador, pero

este punto norte del colegio se eligió por la facilidad de acceso de los

materiales y por la geometría del terreno, es plana a diferencia del punto

Sur tiene una pendiente muy pronunciada.

Esta zona no presenta obstáculos para el viento, producidos por

edificaciones aledañas o por árboles en la zona que estén a la misma

altura o más alto del aerogenerador, como se observan en las

Ilustraciones 18-1, 18-2 y 18-3.

En el capítulo 19 Topografía, podemos observar los dos puntos más altos

del colegio, los puntos Norte y Sur respectivamente, la diferencia de

niveles y las alturas en donde se encuentran ubicados cada punto ya

mencionado.

Resultado de los aforos:

En los aforos realizados tenemos como resultado que la velocidad media

promedio es de 2,2 m/s y la velocidad máxima promedio es de 3 m/s, ver

Ilustración 18-6.

Para el diseño del aerogenerador se tomó la velocidad máxima promedio

que es de 3 m/s.

70

ILUSTRACIÓN 18-5 PROMEDIO DIARIO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO DEL COLEGIO

Tiempo

durnte aforo

Velocidad del Viento

Promedio

Velocidad del Viento

Maxima

segundos m/s m/s

21 2.76 3.14

20 2.72 3.05

23 2.72 3.03

18 2.70 3.03

23 2.70 3.14

23 2.76 3.10

19 2.77 3.11

18 2.71 3.11

18 2.80 3.08

20 2.7 3.1

PROMEDIO DIARIO DE LA VELOCIDA DEL VIENTO

PRESENTADA EN EL COLEGIO OFELIA URIBE DE ACOSTA

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

ILUSTRACIÓN 18-6 GRAFICA VELOCIDAD PROMEDIO DEL VIENTO EN EL COLEGIO

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

71

ILUSTRACIÓN 18-2 PROYECCIÓN VELOCIDAD DEL VIENTO

Tiempo

durante aforo

Velocidad del Viento

Promedio

Velocidad del Viento

Maxima

segundos m/s m/s

21 3.14 4.54

20 3.05 4.45

23 3.03 4.43

18 3.03 4.43

23 3.14 4.54

23 3.10 4.50

19 3.11 4.51

18 3.11 4.51

18 3.08 4.48

20 3.1 4.5

D = 1.4

PROYECCION DEL VIENTO PARA MESES CON ALTO

NIVEL DE VELOCITATDES (AGOSTO-SEPTIEMBRE)

3.14 3.05 3.03 3.03 3.14 3.10 3.11 3.11 3.08

4.54 4.45 4.43 4.43 4.54 4.50 4.51 4.51 4.48

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00

Vel

oci

da

da

m/s

Tiempo de aforo

PROYECCIONES VELOCIDAD DEL VIENTO

Velocidadpromedio viento

Velocidadmaxima viento

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

72

Se hace proyección del viento en los meses de altas velocidades, se

calcula un D=1,4 m/s, se obtiene de iterar valores de velocidades de

viento en los meses de agosto y septiembre, dato referenciado por el

IDEAM.

Las palas están diseñadas para un viento de 5,55 m/s, con esto

comprobamos que las velocidades máximas que alcanzara en épocas de

mayor velocidad de viento no supera la velocidad de diseño.

19. TOPOGRAFÍA

19.1. DESCRIPCION

Levantamiento Topográfico (Altimétrico y Planímetro), secciones

transversales del terreno natural.

Toma de coordenadas de la ubicación donde se hizo el apique.

19.2. METODOLOGIA

Se realizó un recorrido técnico previo para la identificación de la

zona donde se realizara el levantamiento topográfico.

Se ubicaron dos deltas con estacas en la zona, donde se

observara todo el talud al cual se le hará el estudio topográfico.

Con estos dos puntos llamados delta 1 y delta 2 se armó la

estación para tomar toda la información necesaria para realizar

las curvas de nivel cada 50 centímetros, un perfil longitudinal y

secciones transversales del talud.

La estación se armó en el delta 1 con coordenadas arbitrarias

norte 5000, este 5000 y cota 2650, y se tomó línea en el delta 2,

73

con un azimut de cero grados, realizada esta actividad se

procede hacer el levantamiento topográfico.

El equipo de campo utilizado fue Estación total Ruide modelo

RTS-862R5 de la serie 067590 y certificado de calibración N°

3575 de vigencia 18 de Noviembre de 2016. (Ver anexo 1

Certificación)

19.3. RESULTADOS

19.3.1. LOCALIZACION DEL PROYECTO

El proyecto se encuentra localizado en el barrio Yomasa municipio

de Bogotá, departamento de Cundinamarca.

ILUSTRACIÓN 19-1 LOCALIZACIÓN

FUENTE: GOOGLE EARTH 1: LOCALIZACIÓN LOTE A LEVANTAR TOPOGRÁFICAMENTE.

19.4. ANALISIS DE RESULTADOS

74

Una vez realizado el trabajo se analizan los datos tomados en terreno

para dibujar el plano con curvas de nivel cada 50 centímetros, un perfil

longitudinal y secciones cada 10 metros.

En el levantamiento podemos observar que la altura que hay desde el

gavión hasta el nivel superior es de 10 metros, cota 2650 donde quedara

la base del aerogenerador, para una altura total de 8,90 metros quedando

así la parte superior del aerogenerador en la cota 2658,90.

El gavión está ubicado a nivel del primer piso del edificio de las aulas de

clase.

El punto 1 o D1 es el seleccionado para instalar el aerogenerador

quedando así en la cota 2800,15 en el K0+020,00 (Ilustración 19-3 y 19-

5), siendo el punto más apropiado para la localización del aerogenerador

ya que en la parte superior hay un área plana la cual facilita la

cimentación, acceso de materiales, acceso de herramientas y

construcción del aerogenerador, y el punto 2 o D2 es el punto al otro

extremo del punto 1 al costado sur quedando en la cota 2801,89 en el

K0+090,00 (Ilustración 19-4 y 19-5). Se observa el perfil del D2 y la

pendiente es más alta por y no hay superficie plana para poder localizar

en ese punto el aerogenerador.

ILUSTRACIÓN 19-2 PERFIL LONGITUDINAL TOPOGRÁFICO

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

75

ILUSTRACIÓN 19-3 PERFIL PUNTO 1 K 0+020.0 ILUSTRACIÓN 19-4 PERFIL PUNTO 2 K0+090,00

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

19.5. REGISTRO FOTOGRAFICO

ILUSTRACIÓN 19-5 UBICACIÓN DE LOS PUNTOS 1 Y 2

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

76

ILUSTRACIÓN 19-6 ARMADO ESTACIÓN

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

ILUSTRACIÓN 19-7 PUNTOS 1 Y 2

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

77

ILUSTRACIÓN 19-8 UBICACIÓN APIQUE

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

ILUSTRACIÓN 19-9 TALUD DETRÁS DE LAS AULAS

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

78

ILUSTRACIÓN 19-10 CUNETA EN CONCRETO

Fuente: Elaboración Propia

ILUSTRACIÓN 19-11 CANAL

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

79

ILUSTRACIÓN 19-12 TALUD PUNTO 2

Fuente: Elaboración Propia

ILUSTRACIÓN 19-13 ZONA ÁRBOLES

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

80

19.6. PLANO TOPOGRAFICO

81

20. ESTUDIO DE SUELOS

20.1. DESCRIPCION

El proyecto a desarrollar contempla el reconocimiento del suelo a soportar una

carga de 1Ton que está compuesto por una torre de un aerogenerador de 9,80

metros de altura total, 4 palas de 1,80 m de alto y 1,00 metros de ancho.

20.2. SONDEO Y CARACTERISTICAS DEL SUELO

La elección del número de sondeos y la profundidad del mismo se obtuvo de

acuerdo a la NSR 10. Se define categoría baja, un sondeo de 2 metros de

profundidad.

Considerando el área y morfología del terreno, se realizó la exploración del

subsuelo mediante un (1) sondeo que alcanzo la profundidad de 2 metros.

La perforación del sondeo se hizo manual y se tomaron tres (3) muestras

alteradas de bolsa y se realizaron ensayos de Penetración, Clasificación, y

Limites

20.2.1. DESCRIPCION DEL SUELO

Superficialmente se encuentra una capa vegetal de aproximadamente

15 cm de espesor.

Bajo la capa vegetal se encuentra arcillas de color café con gravas, de

consistencia alta que alcanza la profundidad de 0,60 y 1,00 metros.

Siguen arcillas de color gris con gravas de consistencia alta que alcanza

una profundidad de 1,00 metros a 2,00 metros, gran estabilidad y por

supuesto aptos para el soporte con asentamientos mínimos.

82

La expansibilidad de la matriz arcillosa es media, pero esto no afectara

el buen comportamiento de la cimentación dado que la gran cantidad de

piedras y gravas que hay estabilizan los materiales arcillosos y con esto

se logra un excelente comportamiento y muy baja expansibilidad.

El nivel freático no se detectó a esta profundidad de sondeo.

ILUSTRACIÓN 20-1 SONDEO ILUSTRACIÓN 20-2 SONDEO 2 METROS

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

83

ILUSTRACIÓN 20-3 CONTENIDO DE HUMEDAD M1

PROYECTO: Colegio Ofelia Uribe Sondeo: 1

Localizacion: Gran Yomasa - Usme Muestra SPTM 1

Ensayo: 15 de Noviembre de 2016 Profundidad: 0,60 a 1,00 m

DESCRIPCION: Arcillas de color café con gravas, de consistencia alta

Muestra 1

Peso Molde mas Muestra humeda (g) 66.00

Peso Molde mas Muestra seca (g) 57.95

Peso del agua (g) 8.10

Peso molde (g) 2.29

Peso suelo seco (g) 57.95

Contenido de humedad (g) 5.76

CONTENIDO DE HUMEDAD

PROYECTO: Colegio Ofelia Uribe Sondeo: 1

Localizacion: Gran Yomasa - Usme Muestra SPTM 1

Ensayo: 15 de Noviembre de 2016 Profundidad: 0,60 a 1,00 m

DESCRIPCION: Arcillas de color café con gravas, de consistencia alta

Muestra 1

Peso Molde mas Muestra humeda (g) 66.00

Peso Molde mas Muestra seca (g) 57.95

Peso del agua (g) 8.10

Peso molde (g) 2.29

Peso suelo seco (g) 57.95

Contenido de humedad (g) 5.76

CONTENIDO DE HUMEDAD

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

ILUSTRACIÓN 20-4 CONTENIDO DE HUMEDAD M2

PROYECTO: Colegio Ofelia Uribe Sondeo: 1

Localizacion: Gran Yomasa - Usme Muestra 2

Ensayo: 15 de Noviembre de 2016 Profundidad: 1,00 a 2,00 m

DESCRIPCION: arcillas de color gris con gravas de consistencia alta que alcanza

Muestra 2

Peso Molde mas Muestra humeda (g) 57.39

Peso Molde mas Muestra seca (g) 50.39

Peso del agua (g) 7.04

Peso molde (g) 2.29

Peso suelo seco (g) 49.53

Contenido de humedad (g) 5.57

CONTENIDO DE HUMEDAD

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

84

ILUSTRACIÓN 20-5 GRANULOMETRÍA

TAMIZ RETENIDO g RETENIDO % ACUMULADO % PASA

1" 0 0% 0 100.00

3/4" 23.93 12.50 12.5 87.50

1/2" 16.41 8.60 21.1 78.90

3/8" 5.83 3.00 24.1 75.90

# 4 10,36 5.40 29.5 70.50

# 10 11.4 6.00 35.5 64.50

# 40 4.48 - 100.00

# 60 0 - 100.00

# 100 14,49 7.60 43.1 56.90

# 200 10.29 5.40 48.5 51.50

Suma pesos 72.34 51.50

Peso fondo 86.37

Peso total 158.71

Grava (%) 26.50

Arena (%) 22.00

Finos (%) 51.50

GRANULOMETRIA

pasa No. 200

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

85

21. DISEÑO DE UN AEROGENERADOR SAVONIUS DE 200 WATTS

Como ya se mencionó el hecho de diseñar un aerogenerador Savonius se debe a que dentro de los aerogeneradores de eje vertical se trata del más sencillo en fabricación e instalación, un mantenimiento mínimo, tiene un costo bajo, consigue arrancar con poco viento y no necesita de un sistema de orientación del viento, ya que funciona con vientos de cualquier dirección. Para diseñar un rotor Savonius hay que conocer de antemano las opciones que pueden existir, que incluyen espaciados entre palas, número de palas, esbeltez y posicionamiento de las mismas y discos laterales que conforman las bases de apoyo. Los aerogeneradores empiezan a funcionar cuando el viento alcanza una velocidad de 3 a 4 metros por segundo, y llega a la máxima producción de electricidad con un viento de unos 13 a 14 metros por segundo. Si el viento es muy fuerte, de mayor o igual a 25 metros por segundo como velocidad media durante 10 minutos, los aerogeneradores se deben parar por cuestiones de seguridad.17

21.1. CONDICIONES EXTERNAS Para el diseño se tienen en cuenta factores como las condiciones ambientales y los parámetros de posicionamiento del aerogenerador.

21.1.1. CONDICIONES AMBIENTALES.

21.1.1.1. Calculo de la densidad del aire

La energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa (o peso). Así, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen.

17 EOLICAT, “Aerogeneradores” {En línea} {Octubre 29 de 2016} disponible en:

(www.eolicat.net/aerogeneradores.)

86

En otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire más energía recibirá la turbina. La presión atmosférica normal y a 15° C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cúbico, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad. Además, el aire es más denso cuando hace frío que cuando hace calor. A grandes altitudes (en las montañas) la presión del aire es más baja y el aire es menos denso.

ILUSTRACIÓN 18.1.0: CALCULO DE LA DENSIDAD DE AIRE

FUENTE: ELABORACION PROPIA

ILUSTRACIÓN 18.1.1: CALCULO DE LA DENSIDAD DE AIRE

FUENTE: CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA

Presion admosferica hpa 752.12 75212 pa

Temperatura C 15

87

ILUSTRACIÓN 18.1.2: CALCULO DE LA DENSIDAD DE AIRE

FUENTE: CENTRO NACIONAL DE METROLOGIA

ILUSTRACIÓN 18-.1.3 CALCULO DE LA DENSIDAD DEL AIRE

Altitud sobre el nivel del mar Zona media 2.850 m.s.n.m

Densidad del aire 0.903 Kg/m3

Velocidad media anual 3,1 m/s

FUENTE: ELABORACION PROPIA

21.1.2. CONDICIONES INTERNAS Las condiciones internas que se van a tener en cuenta son el diseño de las palas, el diseño del generador y el diseño del sistema de transmisión. También se considerarán otros aspectos importantes como el diseño de la estructura de soporte, el peso del aerogenerador o la facilidad para reemplazar sus componentes. Las principales características del aerogenerador son las siguientes:

200W de potencia nominal. Posición vertical del eje principal (tipo Savonius). Generador síncrono de imanes permanentes Sistema de transmisión mediante poleas y correas

88

21.2. DISEÑO DEL ROTOR

El rotor consta de cuatro (4) palas, todas ellas de aluminio, ya que se trata de un material ligero que consigue que estas piezas no pesen mucho, algo importante a considerar ya que todo el peso de las mismas lo tendrá que soportar el eje y la estructura de sujeción. Además, debido a las dimensiones tan grandes que va a tener el equipo, cuantos más ligeros sean todos sus componentes mejor será su desempeño y rotación. Esta es la parte más importante del diseño del aerogenerador ya que son las palas las que reciben el viento y lo transforman en movimiento. El diseño es fundamental. Para el diseño de las palas se ha tenido en cuenta que el coeficiente de potencia del aerogenerador depende en gran medida de la forma que tengan éstas. En el caso de los aerogeneradores Savonius más sencillos, las palas consisten en piezas de forma semicilíndrica hueca. El material del que están hechas las palas tiene que ser ligero ya que toda la estructura tiene que soportar el peso, pero resistente ya que existen vientos a distintas velocidades (algunos pueden ser muy potentes y tienen que resistirlo) así como la fuerza centrífuga que se genera al girar.

21.2.1. ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN LAS PALAS

Al realizar el estudio de las palas, se considera inicialmente un determinado espesor de las palas, se calculan las fuerzas que actúan en éstas (fuerza del viento y fuerza centrífuga) y se observa mediante cálculos si el espesor seleccionado inicialmente es bueno para el correcto funcionamiento del equipo. Para decidir que espesor inicial tomar, se van a calcular los desplazamientos que tendrían las palas en la situación más desfavorable es decir, para una velocidad de viento de 13 m/s (ráfaga de viento). El espesor que se va a considerar para las palas es de e=5mm. Por tanto, los radios de la parte curva serán:

Rҽ = 0.60 m

Dimensiones de las palas:

89

ILUSTRACIÓN 21-1: DIMENSIONES DE LAS PALAS:

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

ILUSTRACIÓN 21-2: ACCIÓN DEL VIENTO SOBRE LAS PALAS

90

ILUSTRACIÓN 21-3 CALCULO MASA DE UNA PALA.

Long (m) alto (m) Grosor (m)

Densidad del

material

(gk/m3)

Masa (kg)

1.00 1.80 0.03 2,700.00 145.80

Masa de la Pala

FUENTE: ELABORACION PROPIA

Calculo Fuerza del viento: El viento, al chocar contra las palas, genera una fuerza que viene dada por la expresión:

18 Siendo; ρ= Densidad del aire

= Velocidad del Viento Los cálculos se realizan para las condiciones más desfavorables, tendremos que:

velocidad mayor anual en de 56 km/h (13 m/s)

y la densidad del aire para esa velocidad será de 0.89 kg/m3 Así, la Presión ejercida por el viento será:

Pviento= 75 Pa = 0.075 kN/m2

18 (TOLOSA, 1983)

91

Fuerza a la que está sometido el rotor: La fuerza centrífuga se debe a la rotación del equipo y es la que tiende a alejar las palas del eje de rotación. Tiene la siguiente forma:

Siendo: m= masa de la pala (ver tabla 2) R = radio del rotor ῳ= velocidad de giro del rotor F= 26.3 kN Fuerza sometida al rotor.

Velocidad a la que gira el rotor Tenemos la siguiente expresión:

Donde; Λ= valor de velocidad específica. Para los aerogeneradores Savonius tiene un valor de 0.8. ῳ = velocidad angular medida en rd/s R= Radio del rotor en m (0.60 m descrita en el plano) V= velocidad del viento para la condición más desfavorable 13 m/s.

ῳ = 17.33 rd/s Velocidad angular media.

ῳ = 165.52 rpm

92

La velocidad angular, es la velocidad a la que debe girar el aerogenerador para obtener la potencia de 200 Watts que se puede extraer del viento, que es la potencia máxima del diseño.

Por lo tanto la Fuerza centrífuga (Fc) es;

65 N = 0.65 Kn

Potencia Eléctrica máxima:

Siendo; Cp= descrita de en la lustración 21-4 Velocidad Tangencial vs Coeficiente de Potencia= 0.19 ρ= Densidad del aire = 0.89 km/m3 v= 3,1 m/s A= Área de las palas propuestas (1.00 m x 1.80 m) Obtenemos

Peléctrica= 19 kg.m/s = 190 watts

Con este análisis podemos observar que la dimensión final que tienen las palas, la energía producirá.

93

ILUSTRACIÓN 21-5: UNIÓN DE LAS PALAS

21.3. DISEÑO DEL EJE PRINCIPAL

El eje principal sirve de unión entre el rotor del aerogenerador, formado por las palas y el sistema de transmisión. Dicho eje soporta las fuerzas horizontales del viento y el peso de la turbina, está atornillado mediante platinas de acero a la tapa superior y en la parte inferior esta soportada por platinas. La parte superior del eje está unida a la polea grande del sistema de transmisión mediante una platina. De esta forma, se puede considerar el eje como una viga que se encuentra apoyada en sus dos extremos y que está sometida a flexión, como consecuencia de la acción del viento. La fuerza del viento será considerada como una carga repartida a lo largo de la longitud de la viga donde se encuentran las palas del rotor, es decir, a lo largo de una altura de 6.0 m. Este eje será de tubo galvanizado de 6 metros de forma tubular hueca de diámetro 200 mm y espesor 2 mm (Ver anexo 1 tabla de características del tubo (ver anexo 2 tabla de propiedades y características del tubo estructural galvanizado)

94

La fuerza aerodinámica que ejerce una corriente de aire sobre un objeto es:

Donde: C: coeficiente aerodinámico = Por desarrollos teóricos y comprobaciones empíricas se sabe que los coeficientes C para palas de rotor semicilíndricas tienen un valor de C = 2,3

ρ: densidad del material = 7.86 kg/m3

A: área transversal = 0.0027 m2

ῳ = velocidad angular medida en rd/s

Fviento eje = 6 kgf = 0.003 kN Fuerza ejercida sobre el eje

Fviento aletas= 26.20 kN Fuerza del viento sobre las aletas

Fuerza que ejerce el peso de la estructura; Se dimensiona cada elemento que contiene la parte del rotor obteniendo así:

ILUSTRACIÓN 21-6 CALCULO FUERZA EJERCIDA EN EL EJE Y DEL EJE CENTRAL.

Long (m) alto (m)Grosor

(m)

Densidad

del material

(gk/m3)

Densidad

del material

(gk/m2)

CANTIDAD

PALAS 1.00 1.80 0.05 2,700.00 4.00 874.80

ENCOFRADO 0.70 0.70 0.05 35.00 2.00 1.72

LATERALES 0.70 0.30 0.05 35.00 2.00 0.74

SISTEMA ELECTRICO 100.00

977.25 kgf

9,586.82 N

9.59 KNPESO MUERTO TOTAL DE LA ESTRUCTURA SUPERIOR

PESO DE LA ESTRUCTURA SUPERIOR

Masa (kgf)

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

95

ILUSTRACIÓN 21-7 CALCULO DE LA COLUMNA EJE CENTRAL

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

Ver anexo 2 y 3 tablas de densidades de los materiales.

ILUSTRACIÓN 21-8 CALCULO DEL PESO QUE DEBE SOPORTAR EL EJE

CENTRAL.

Long (m) alto (m)Grosor

(m)

Densidad

del material

(gk/m3)

Densidad

del material

(gk/m2)

CANTIDAD

PALAS 1.00 1.80 0.05 2,700.00 4.00 874.80

ENCOFRADO 0.70 0.70 0.05 35.00 2.00 1.72

LATERALES 0.70 0.30 0.05 35.00 2.00 0.74

SISTEMA ELECTRICO 100.00

977.25 kgf

9,586.82 N

9.59 KN

Peso (masa) de los materiales = 109.80 kg

PESO MUERTO TOTAL DE LA ESTRUCTURA SUPERIOR

PESO DE LA ESTRUCTURA SUPERIOR

Masa (kgf)

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

96

El peso de todo el conjunto de los materiales es de 109 kg, el peso que soporta

la estructura del eje central es de 27 kg/m, es decir 162 kg en total soporta.

Obtenemos que el tubo galvanizado que se selecciona es capaz de soporta la

estructura superior.

21.4. PERNOS SOMETIDOS A TRACCION

Los pernos que se encuentran sometidos a tracción en el diseño de

construcción del aerogenerador son los que unen los la platina del soporte al

suelo, con el dato de fuerza que se produce en las aspas se calcula la fuerza

de corte producida en los pernos.

Donde;

F= 24,19 kN

Obtenemos,

ᵟ = 205.15 Mpa

Asi que el esfuerzo de tracción producido en menor al esfuerzo de tensión del

materia de fabricación que es 827 Mpa, lo cual queda verificado que los pernos

no fallaran al corte durante el funcionamiento del aerogenerador.

97

Pernos sometidos a traccion

21.5. SISTEMA DE TRANSMISION El sistema de transmisión está conformado por el sistema de engranajes19

El cual genera la energía eléctrica, este sistema se ensambla con el fin de aumentar la velocidad de giro que proviene del rotor, los elementos son normalizados – estandarizados. Con lo anterior se consigue que la velocidad de la rueda dentada en el motor aumente su velocidad angular debido a la relación de transmisión que existe entre los piñones calculado así;

20 19 Sistema de engranaje está formada por el acoplamiento de dos ruedas dentadas, una motriz y otra

conducida, al introducir los dientes de una en los de la otra y producir el giro de la rueda motora,

arrastra a la conducción.

20 TOLOSA, Jorge Rubén; autogeneración de energía; Ecuador; 1983

98

Donde; V= 3.1 m/s Velocidad del viento r= 220 mm Radio de la rueda w= Velocidad angular Se obtiene W= 677 rpm

21.6. EQUIPOS

21.6.1. Motor ILUSTRACIÒN 21-9: AMP FLOW M27-150-P BRUSHED ELECTRIC MOTOR, 150W, 24V OR 36 VDC, 3800 RPM

FUENTE: WWW.AMPFLOW.COM/M27-150_CHART.GIF

Este equipo capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, está diseñado para ofrecer un alto nivel de rendimiento por ser un motor cepillado de corriente continua de 24 V, 200W de imanes permanentes.

99

ILUSTRACIÓN 21-10: CURVAS DEL RENDIMIENTO DEL MOTOR

FUENTE: HTTP://WWW.AMPFLOW.COM/M27-150_CHART.GIF

ILUSTRACIÓN 21-11: CARACTERÍSTICAS MOTOR

FUENTE: WWW.AMPFLOW.COM/M27-150_CHART.GIF

100

21.6.2. Regulador

21.6.3. Batería

ILUSTRACIÓN 21-12: BATERIA UCG75-12

FUENTE: HTTP://ULTRACELL.NET/DATASHEETS/UCG75-12.PDF

Esta batería tiene un tiempo de carga largo, este tipo de batería prolonga la vida útil de la misma, debido a que las celdas internas están recubiertas por un gel electrolítico. Las baterías de ciclo corto como las de los automóviles y motos en el uso, es decir para las baterías de las motocicletas y automóviles se necesita una corriente de arranque muy alta y que la batería está en un corto tiempo, mientras que una batería de ciclo profundo entrega poca corriente por periodos de tiempo de varias horas.

ILUSTRACIÓN 21-13: CARACTERISTICAS DE BATERIA

101

FUENTE: HTTP://ULTRACELL.NET/DATASHEETS/UCG75-12.PDF

Adicional a esto el aerogenerador lleva un controlador de carga para proteger la batería frente a sobrecargas y sobre descargas profundas. Controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil.

ILUSTRACIÓN 21-14: GRAFICAS SEGÚN CARACTERÍSTICAS

102

FUENTE: HTTP://ULTRACELL.NET/DATASHEETS/UCG75-12.PDF

103

21.7. PRESUPUESTO

DESCRIPCION UN CANT PRECIO UN PRECIO TOTAL

Palas en aluminio 4mm 1X1.80 son 4 m2 7.56 82,300.00$ 622,188.00$

Cabina en aluminio 4mm long de

desarrollo 2.8 h= .30m2

0.84 82,300.00$ 69,132.00$

Tubo union plas h=1.80 m d= 100 mm un 1.00 52,000.00$ 52,000.00$

Tubo eje central h=6.00 m d= 200 mm un 1.00 90,000.00$ 90,000.00$

Angulos de conexión en lamina un 3.00 123,400.00$ 370,200.00$

Platina en acero de 0.70 x 0.70 m un 1.00 211,333.00$ 211,333.00$

Pernos de anclajes h= 0.60 m un 4.00 16,090.00$ 64,360.00$

Concreto 300 psi m3 0.73 376,000.00$ 274,780.80$

Acero para cimentacion kg 80.39 2,100.00$ 168,814.80$

INVERSOR CORRIENTE 200 W –Marca Daiku un 1.00 120,000.00$ 120,000.00$

BATERIA DE LITIO un 1.00 137,000.00$ 137,000.00$

GENERADOR DAEWOO GDA. 980 un 1.00 329,300.00$ 329,300.00$

2,509,108.60$

752,732.58$

3,261,841.18$

COSTO MATERIALES INCLUIDO IVA

SE ASUME EL 30% PARA MANO DE OBRA

COSTO TOTAL

21.8. SEGURIDAD EN EL AEROGENERADOR

Factor imprescindible para que el equipo no esté expuesto a factores externos que puedan afectar a su funcionamiento llegando incluso a destruirlo. Un aspecto importante es la atracción de rayos en tormentas eléctricas. Debido a la ubicación de estos equipos hay bastantes posibilidades de que el equipo atraiga a rayos. Por ello, se debe instalar y dimensionar de forma adecuada un sistema de puesta a tierra así como un buen pararrayos. Los pararrayos suelen estar formados por un mástil metálico, bien de acero inoxidable, de aluminio o de cobre, y consta de un cabezal que se encuentra unido a tierra mediante un cable conductor que suele ser de cobre. La puesta a tierra se realiza mediante picas hincadas en el terreno o mediante placas conductoras también enterradas. El pararrayos en principio protege una zona teórica en forma cónica con vértice en el cabezal. Por ello, esta zona dependerá de la forma de este cabezal. Mediante un elemento así, se consigue

104

reducir los daños que un rayo puede llegar a provocar sobre los elementos del equipo instalado.

21.9. MANTENIMIENTO PREVENTIVO

El aerogenerador diseñado está compuesto por piezas mecánicas sencillas tales como rodamientos, tuercas, tornillos, etc., En el caso de estas piezas se realizará un mantenimiento programado de la siguiente forma:

A los tres meses: verifique y si es necesario enrosque las tuercas y tornillos de las palas y tapas.

A los seis meses revisión íntegra de todos los componentes del aerogenerador (rotor, sistema eléctrico, eje, transmisión ybaterías,…)

105

22. CONCLUSIONES

Durante los últimos años la energía eólica han tenido un gran desarrollo, por tal razón se cumple con el objetivo de presentar un diseño durable y muy simple en su funcionamiento para la generación de energía eólica y con esto sirva para de ejemplo para los próximos generadores. La decisión de diseñar el aerogenerador tipo Savonius, se tomar por su sencillez de diseño, por el uso de pocos materiales para su ligereza. Este aerogenerador requiere una construcción más simple en comparación de otros aerogeneradores, por esta razón el diseño permite que se empleen materiales livianos. El prototipo fue diseñado para trabajar con la velocidad máxima del viento que se presenta en Yomasa, sin embrago no es muy alta en rangos generales, esta comprende 20 m/s según los datos encontrados en los Atlas del IDEAM. Los diferentes equipos utilizados para la conversión de energía mecánica en energía eléctrica, permite que se presente menor mantenimiento y resultados esperados, esto comprueba lo mencionado en cuanto a beneficio de la obtención de la energía eléctrica por medio del viento. Para el diseño de la estructura del aerogenerador se emplea estructura metálica, basando el diseño en la norma NSR-10. El diseño del aerogenerador llevado a cabo intenta dar solución a dicho problema de una manera sencilla y aunque, desde el punto de visto ingenieril, todavía quedan muchos detalles por fijar, mediante este proyecto se quiere dar un primer paso que serviría para la construcción de un prototipo inicial fiable.

106

23. RECOMENDACIONES

Los equipos eléctricos están diseñados y ensamblados para operar sobre ambientes secos sin exposición al agua o fluidos, ya que pueden afectar su funcionamiento por esta razón es recomendable verificar todas las uniones periódicamente con el fin que no se produzcan filtraciones al sistema. Se recomienda anclar los tornillos del soporte inferior del aerogenerador cuando se esté fundiendo la placa, con ello quedaran bien fijados. Para la conexión del equipo electrónico se debe siempre conectar en primer lugar el control de carga a la batería y aproximadamente a la hora desconectar el equipo, el controlador de carga debe ser el último en ser desconectado, ya que este trabaja con la corriente que proporciona la batería.

107

24. BIBLIOGRAFÍA

ACCIONA. 2011. www.acciona.com. [En línea] 2011.

2012. Atlas de Viento y Energía Eólica de Colombia. [En línea] Junio de 2012.

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Energía, electricidad en el mundo que avanza. Cereceda T., Errázuriz K., Rivera A. 2008. 2008,

Pontificia Universidad Católica de Chile.

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LUCAS SAN ROMAN, Alvaro. 2013. Aerogenerador uso particular. Proyecto. Madrid, España : s.n.,

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2007. REVE; . REVISTA EOLICA Y DEL VEHICULO ELECTRICO. [En línea] enero de 2007.

http://www.upme.gov.co/Docs/MapaViento/CAPITULO4.pdf.

2007. REVE; REVISTA EOLICA Y DEL VEHICULO ELECTRICO. [En línea] marzo de 2007.

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Rodríguez Amenedo, JI y Burgos Días, JC. 2003. Sistemas eólicos de producción de energía

eléctrica . [En línea] Mayo de 2003.

Sistema Eolicos Pequeños. Departamento de Energia EE.UU. 2007. EE.UU : s.n., Septiembre de

2007, Enegia Eficiencia y Energia Renovable.

108

25. FIRMAS

ESTUDIANTE

________________________________________

MILENA MOLINA GALINDO

CODIGO: 502591

FECHA DE PRESENTACION: OCTUBRE 28 DE 2016

ASESOR SUGERIDO

________________________________________

ING. PEDRO ALEXANDER SOSA MARTINEZ

FECHA DE PRESENTACION: OCTUBRE 28 DE 2016

109

26. ANEXOS

ANEXO 1

CERTIFICADO ESTACIÓN RUIDE

110

111

112

ANEXO 2

TABLA DE PROPIEDADES DEL EJE CENTRAL

8 IN

113

114

ANEXO 3

FICHA TECNICA LÁMINA GALVANIZADA

APOYO Y ANCLAJE

115

116

ANEXO 4

PLANO

117

118

Plano general del aerogenerador