VIABILIDAD DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A …
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VIABILIDAD DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DE UNA TURBINA EÓLICA DE BAJA POTENCIA PARA LA SEDE DE BOSA PORVENIR. ANDRÉS FELIPE AGUILAR SÁNCHEZ Código: 20142081058 JUAN DIEGO BEDOYA GARZÓN Código: 20142081063 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS TECNOLOGÍA EN GESTIÓN AMBIENTAL Y SERVICIOS PÚBLICOS PROYECTO DE GRADO BOGOTÁ D.C. FECHA
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VIABILIDAD DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DE
UNA TURBINA EÓLICA DE BAJA POTENCIA PARA LA SEDE DE BOSA
PORVENIR.
ANDRÉS FELIPE AGUILAR SÁNCHEZ
Código: 20142081058
JUAN DIEGO BEDOYA GARZÓN
Código: 20142081063
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
TECNOLOGÍA EN GESTIÓN AMBIENTAL Y SERVICIOS PÚBLICOS
PROYECTO DE GRADO
BOGOTÁ D.C.
FECHA
VIABILIDAD DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A TRAVÉS DE
UNA TURBINA EÓLICA DE BAJA POTENCIA PARA LA SEDE DE BOSA
PORVENIR.
ANDRÉS FELIPE AGUILAR SÁNCHEZ
Código: 20142081058
JUAN DIEGO BEDOYA GARZÓN
Código: 20142081063
DOCENTE DIRECTOR:
RAFAEL EDUARDO LADINO PERALTA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
TECNOLOGÍA EN GESTIÓN AMBIENTAL Y SERVICIOS PÚBLICOS
PROYECTO DE GRADO
BOGOTÁ D.C.
FECHA
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN .................................................................................................................................................... 1
ABSTRACT .................................................................................................................................................... 2
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................... 3
1. OBJETIVOS ............................................................................................................................................... 5
1.1. OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................................................... 5 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................................. 5
2. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................................... 6
2.1. ENERGÍA EÓLICA ........................................................................................................................................... 6 2.2 ENERGÍA EÓLICA EN EL MUNDO ........................................................................................................................ 7
3. ESTADO DEL ARTE .................................................................................................................................. 12
3.1 TURBINA EÓLICA ......................................................................................................................................... 12 3.1.1. Tipos de aerogeneradores. ............................................................................................................ 12
3.1.1.1. Según su eje. ............................................................................................................................................ 12 3.1.1.2. Según su cantidad de palas. ..................................................................................................................... 15 3.1.1.3. Según su potencia o tamaño. .................................................................................................................. 17
3.1.2. Partes del aerogenerador. ............................................................................................................. 18 3.2. INSTRUMENTOS DE LA MEDICIÓN DEL VIENTO ................................................................................................... 21
3.2.1. Anemómetro. ................................................................................................................................. 22 3.2.1.1. Data logger. ............................................................................................................................................. 23
3.2.2. Veleta. ............................................................................................................................................ 24 3.2.2.1. Rosa de los vientos. ................................................................................................................................. 25
4. MARCO GEOGRÁFICO ............................................................................................................................ 26
4.1. LOCALIDAD DE BOSA ................................................................................................................................... 26 4.1.1. Características ambientales. .......................................................................................................... 26
4.1.1.1. Hidrología. ............................................................................................................................................... 26 4.1.1.2. Temperatura. ........................................................................................................................................... 27 4.1.1.3. Precipitación. ........................................................................................................................................... 27 4.1.1.4. Viento. ..................................................................................................................................................... 27 4.1.1.5. Ruido. ....................................................................................................................................................... 28 4.1.1.6. Usos del suelo. ......................................................................................................................................... 28
4.2. SEDE CIUDADELA EDUCATIVA EL PORVENIR ..................................................................................................... 28
5. PROCESO METODOLÓGICO .................................................................................................................... 33
5.1. METODOLOGÍA .......................................................................................................................................... 33 5.1.1. Enfoque de Investigación. .............................................................................................................. 33 5.1.2. Tipo de Investigación. .................................................................................................................... 33 5.1.3. Diseño de investigación. ................................................................................................................ 34
5.2. PROCESO METODOLÓGICO ........................................................................................................................... 35 5.2.1. Fases. ............................................................................................................................................. 35
5.2.1.1. Identificacion del caso. ............................................................................................................................ 35 5.2.1.2. Informacion de base. ............................................................................................................................... 35 5.2.1.3. Procesamiento de datos. ......................................................................................................................... 35
2
5.2.1.4. Conclusiones. ........................................................................................................................................... 36 5.2.1.5. Documento final. ..................................................................................................................................... 36
5.2.2. Desarrollo metodológico. ............................................................................................................... 36
6. DESARROLLO DE LA PROPUESTA ............................................................................................................ 39
6.1. ELEMENTOS DEL BANCO EÓLICO .................................................................................................................... 40 6.1.1. Inversor. ......................................................................................................................................... 41 6.1.2. Motor. ............................................................................................................................................ 43 6.1.3. Data logger. ................................................................................................................................... 44 6.1.4. Batería. .......................................................................................................................................... 45 6.1.5. Medidores. ..................................................................................................................................... 48
6.2. DIAGRAMA DE INSTALACIÓN ......................................................................................................................... 50 6.3. ANALISIS DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO ........................................................................................................... 51
6.3.1. RETScreen. ..................................................................................................................................... 52 6.3.2. Velocidad del viento. ...................................................................................................................... 53 6.3.3. Dirección del viento. ....................................................................................................................... 55
6.4. MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO ........................................................................................................ 58 6.4.1. Velocidad del viento con anemómetro .......................................................................................... 58 6.4.2. Velocidad del viento datos Laboratorio de calidad del aire ........................................................... 59
6.4.2.1. Velocidad del viento del mes de Agosto .................................................................................................. 61 6.4.2.2. Velocidad del viento del mes de Septiembre .......................................................................................... 63 6.4.2.3. Velocidad del viento del mes de Octubre ................................................................................................ 64 6.4.2.4. Velocidad del viento del mes de Noviembre ........................................................................................... 66 6.4.2.5. Velocidad del viento del mes de Diciembre............................................................................................. 67 6.4.2.6. Velocidad del viento del mes de Enero .................................................................................................... 69 6.4.2.7. Velocidad del viento del mes de Febrero ................................................................................................ 70
7. RESULTADOS .......................................................................................................................................... 72
7.1. SELECCIÓN DE LA TURBINA EÓLICA ................................................................................................................. 72 7.1.1. Generador Eolico Vevor ................................................................................................................. 74 7.1.2. Turbina eólica DMWT3.2-1.5K ....................................................................................................... 75
7.2. CÁLCULO DE POTENCIA DEL VIENTO ................................................................................................................ 76 7.2.1. Densidad del aire ........................................................................................................................... 76 7.2.2. Área de barrido del rotor ............................................................................................................... 77 7.2.3. Potencia del viento Turbina Vevor 400 W ...................................................................................... 78 7.2.4. Potencia del viento Turbina 1500 W - DMWT3.2-1.5K ................................................................. 79
7.3. RESULTADO FINAL ...................................................................................................................................... 81 7.3.1. Cargas a alimentar......................................................................................................................... 81
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS...................................................................................................................... 84
9. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................... 87
10. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................................... 89
TABLA DE FIGURAS
Figura 1. Top 10 capacidad instalada Ene-Dic 2017 (Izquierda) Vs Top 10 Capacidad acumulada
Dic 2017 (Derecha) ............................................................................................................................. 9
Figura 2. Parque eólico Jepírachi. ..................................................................................................... 10
Figura 3. Estructura del parque eólico Jepírachi. .............................................................................. 10
Figura 4. Aerogenerador Darrieus ..................................................................................................... 13
Figura 5. Aerogenerador Savonius. ................................................................................................... 14
Figura 6. Aerogenerador Horizontal. ................................................................................................ 15
Figura 7. Aerogenerador monopala. .................................................................................................. 16
Figura 8. Aerogenerador bipala. ........................................................................................................ 16
Figura 9. Aerogenerador tripala. ....................................................................................................... 17
Figura 10. Partes de turbina eólica de eje horizontal. ....................................................................... 19
Figura 11. Anemómetro. ................................................................................................................... 22
Figura 12. Agrupación de anemómetro y veleta. .............................................................................. 23
Figura 13. Data logger. ...................................................................................................................... 24
Figura 14. Veleta. .............................................................................................................................. 24
Figura 15. Rosa de los vientos. ......................................................................................................... 25
Figura 16. Ubicación Universidad Distrital sede ciudadela educativa el porvenir. .......................... 29
Figura 17. Edificio de aulas junto al eficicio de laboratorios. ........................................................... 29
Figura 18. Edificio de aulas............................................................................................................... 30
Figura 19. Edificio de laboratorios. ................................................................................................... 31
Figura 20. Lateral del edificio de laboratorios. ................................................................................. 32
Figura 21. Panorámica de la terraza del edificio de laboratorios. ..................................................... 32
Figura 22. Diseño de investigación ................................................................................................... 34
Figura 23. Sistema de aprendizaje de energías alternativas .............................................................. 39
Figura 24. Simulador energía eólica ................................................................................................. 40
Figura 25. Simulador energía solar ................................................................................................... 40
Figura 26. Inversor ............................................................................................................................ 41
Figura 27. Eficiencia vs Potencia ...................................................................................................... 42
Figura 28. Relación temperatura vs potencia de salida ..................................................................... 43
Figura 29. Motor Daytona ................................................................................................................. 43
Figura 30. Data Logger ..................................................................................................................... 44
Figura 31. Batería vista general ......................................................................................................... 45
Figura 32. Dimensiones de la batería ................................................................................................ 46
Figura 33. Comparación del ciclo de vida entre dos tipos de baterías .............................................. 47
Figura 34. Relación de capacidad de la batería vs temperatura ........................................................ 48
Figura 35. Medidor digital de corriente ............................................................................................ 48
Figura 36. Medidor análogo de corriente .......................................................................................... 48
Figura 37. Ubicación de la turbina eólica en la terraza de la sede de Bosa el Porvenir. ................... 50
Figura 38. Diseño de instalación ....................................................................................................... 51
Figura 39. Tipos de análisis RETScreen ........................................................................................... 52
Figura 40. Ubicación de la sede Bosa el Porvenir ............................................................................. 53
2
Figura 41. Características y valores mensuales ................................................................................. 54
Figura 42. Velocidad del viento vs Temperatura del aire ................................................................. 54
Figura 43. Rosa de los vientos estación meteorológica de Kennedy ... ¡Error! Marcador no definido.
Figura 44. Velocidad del viento Bogotá D.C. ................................................................................... 57
Figura 45. Mediciones del viento terraza de Sede Bosa el Porvenir ................................................. 58
Figura 46. Relación velocidad del viento Vs Hora de toma de velocidad ........................................ 59
Figura 47. Velocidad del viento mes de Agosto ............................................................................... 61
Figura 48. Rosa de los vientos Agosto .............................................................................................. 62
Figura 49. Velocidad del viento mes de Septiembre ......................................................................... 63
Figura 50. Rosa de los vientos Septiembre ....................................................................................... 63
Figura 51. Velocidad del viento mes de Octubre .............................................................................. 64
Figura 52. Rosa de los vientos Octubre ............................................................................................. 65
Figura 53. Velocidad del viento mes de Noviembre ......................................................................... 66
Figura 54. Rosa de los vientos Noviembre........................................................................................ 67
Figura 55. Velocidad del viento Diciembre ...................................................................................... 67
Figura 56. Rosa de los vientos Diciembre ......................................................................................... 68
Figura 57. Velocidad del viento mes de Enero ................................................................................. 69
Figura 58. Rosa de los vientos Enero ................................................................................................ 69
Figura 59. Velocidad del viento mes de Febrero............................................................................... 70
Figura 60. Rosa de los vientos Febrero ............................................................................................. 71
Figura 61. Turbina eólica Vevor ....................................................................................................... 74
Figura 62. Turbina DMWT3.2-1.5K ................................................................................................. 75
Figura 63. Gramera ........................................................................................................................... 82
Figura 64. Microscopio ..................................................................................................................... 82
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Capacidad instalada de energía eólica en Latinoamérica (MW) ......................................... 8
Tabla 2 Desarrollo metodológico de la velocidad del viento en la sede bosa porvenir. .................. 36
Tabla 3 Desarrollo metodológico de selección de la turbina eólica. ............................................... 37
Tabla 4 Desarrollo metodológico de las cargas seleccionadas. ....................................................... 37
Tabla 5 Desarrollo metodológico de viabilidad de generación electrica de la turbina eólica de baja
potencia. ............................................................................................................................................ 38
Tabla 6 Velocidad del viento Agosto 2018 a Enero 2019. .............................................................. 60
Tabla 7 Promedio mensual y total de la velocidad del viento por meses. ....................................... 71
Tabla 8 Ventajas y desventajas de turbinas de eje horizontal ......................................................... 72
Tabla 9 Ventajas y desventajas de turbinas de eje vertical.............................................................. 73
Tabla 10 Características Trubina Vevor. ......................................................................................... 74
Tabla 11 Características turbina DMWT3.2-1.5K .......................................................................... 75
Tabla 12 Posibles cargas a alimentar .............................................................................................. 82
Tabla 13 Diseño e implementación de emulador de una turbina eólica mediante el acople de un
motor y generador ............................................................................................................................. 84
Tabla 14 Diseño y contrucción de una prototipo de turbina eólica de 60w, para suministo eléctrico
de zonas urbanas ............................................................................................................................... 85
Tabla 15 Análisis aerodinámico de una microturbina eólica de eje vertical para la generación de
energía eléctrica en una zona urbana de Bogotá, Colombia .............................................................. 85
Tabla 16 Diseño de un sistema de generación eólica para la iluminación exterior con tecnología
LED, de un predio comercial en altos de Cazucá-Cundinamarca ..................................................... 86
1
RESUMEN
La universidad Distrital en busca de ampliar su cobertura para la educación superior,
inauguro el pasado 06 de agosto del año 2017 la nueva sede de la universidad, ubicada en la
localidad de Bosa el porvenir, ampliando la capacidad estudiantil que ya venia colapsando
algunas sedes, por su ubicación permite evaluar la posibilidad del uso de la energía eolica
como método alternativo para el funcionamiento energético del banco eólico situado en el
laboratorio de servicios públicos.
El presente proyecto evaluará la viabilidad de generación de energía eléctrica de una turbina
eólica de baja potencia para la sede de Bosa Porvenir, con el fin de demostrar cuanta energía
podrá generar la turbina y bajo que condiciones puede ser usada, cabe destacar que la turbina
eólica con la que se desarrollará el presente documento es de baja potencia (10 KW), la
energía eléctrica que genere será usada en el laboratorio de servicios públicos.
Mediante diferentes experimentos realizados a lo largo del desarrollo del trabajo, se
mostrarán los diversos resultados obtenidos, los cuales ayudan a resolver uno a uno los puntos
clave del trabajo como los rangos de velocidad del viento necesarios para el adecuado
funcionamiento de la turbina, así como la cantidad de energía eléctrica que esta pueda
generar.
Palabras Clave: Energía eléctrica, Turbina, Energía eólica, Anemómetro, Generador
eléctrico.
2
ABSTRACT
The Universidad Distrital looking for expand it’s coverage for the higher education,
inaugurates on august 6 of the 2017 the new headquarters of the university, located in the
town of Bosa Porvenir expanding the capacity of students that was already collapsing in some
headquarters, by its location allows to evaluate the use of wind energy as an alternative
method for the energetic operation of the wind bank located in the public service laboratory.
The present project, will evaluate the viability of electric power generation of a low power
wind turbine for the faculty of Bosa Porvenir, in order to demonstrate how much energy the
turbine can generate and in what situations it can be used, it should be noted that the wind
turbine with which this document will be developed is of low power (10 KW), the electrical
energy generated will be used in the public service laboratory.
Through different experiments that will be carried out throughout the development of the
work, the various results obtained will be shown, which will help to solve one by one the key
points of the work as the wind speed ranges necessary for the suitable operation of the turbine,
as well as the amount of electrical energy it can generate.
Keywords: Electric power, Turbine, Wind energy, Anemometer, Electric generator.
3
INTRODUCCIÓN
Con el paso del tiempo, las energías renovables han sido las fuentes de energía eléctrica más
utilizadas en la actualidad, con ellas se genera energía limpia sin ningún tipo de daño al
ambiente, debido a que no contaminan, son inagotables y reducen el uso de combustibles
fósiles. Se llaman renovables ya que provienen de fuentes naturales inagotables y son capaces
de regenerarse de forma continua como el sol, el aire, el agua, la biomasa, etc.
La energía eólica es una de las energías renovables más usadas en el mundo, por esto se
demostrara la viabilidad para generar energía eléctrica a través de una turbina eólica de baja
potencia en la sede de Bosa Porvenir, determinar con qué características del viento tiene
mejor funcionabilidad, cuanta energía eléctrica puede llegar a generar para el adecuado
funcionamiento de algunas cargas del laboratorio de servicios públicos de la facultad de Bosa
Porvenir.
5
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo general
Viabilidad de generación de energía eléctrica a través de una turbina eólica de baja potencia
para alimentar cargas del laboratorio de servicios públicos de la sede de Bosa Porvenir.
1.2. Objetivos específicos
.
Identificar la velocidad del viento en la sede de Bosa el provenir.
Seleccionar la turbina eólica de baja potencia.
Elegir las cargas del laboratorio a alimentar.
Desarrollar el documento final de “Viabilidad de generación de energía eléctrica a
través de una turbina eólica de baja potencia para la sede de Bosa Porvenir”.
6
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Energía eólica
Villarrubia (2004) afirma que “La energía eólica es una de las fuentes de energías renovables
para la que se dispone de una tecnología madura, por lo que su explotación es técnica y
económicamente viable, en unas condiciones de producción y coste competitivas con las
fuentes de energías tradicionales (hidráulica, térmica clásica o termonuclear)” (p. 11), este
tipo de fuente promete ser una de las energías más limpias en el mercado, compitiendo a
nivel renovable con la energía fotovoltaica, el uso de energías limpias promoverá en un futuro
el desarrollo de una sociedad baja en carbono.
Al igual que las demás energías renovables, la energía eólica tiene sus desventajas o
inconvenientes, las cuales afectan al medio ambiente cuando se habla de parques eólicos, una
de ellas es el ruido y el impacto visual, ya que los aerogeneradores necesitan tener una altura
adecuada para alcanzar grandes velocidades del viento y poder trabajar a su máxima potencia.
En los parques eólicos, los aerogeneradores tienen grandes aspas las cuales al momento de
su funcionamiento generan demasiado ruido en la zona, lo que producen molestias tanto para
los habitantes cercanos, como para los animales que rondan esas zonas.
Comprendiendo el principio de desarrollo de la población, se intensificará el uso de la energía
eólica debido al aprovechamiento del viento para la generación de energía eléctrica, Rocha
Lydia (2011) En su artículo plantea que “La energía eólica es el aprovechamiento de la
energía cinética de masas de aire en movimiento, es decir, de la fuerza del viento. Esta energía
se emplea para impulsar barcos en su desplazamiento, para bombear agua, para moler grano
o, en su aplicación más desarrollada en la actualidad, para producir energía eléctrica.”
A lo largo de los años, posterior a la revolución industrial con la invención de la máquina de
vapor se desplazaron las turbinas que generaban energía mecánica, es allí donde se marco el
punto “ignition” del uso de los combustibles fosiles para el desarrollo social, económico,
político y tecnológico de la población, no obstante, en la década de los 70`s se empiezan a
7
evidenciar cambios en la temperatura de la tierra, y el aumento exponencial de la
contaminacion del aire, suelo y agua factores claves para la evolución de las especies.
2.2 Energía eólica en el mundo
La energía eólica como propuesta energética frente a la contaminación ambiental, se
posiciona como una determinante al momento de implementar un sistema bajo en emisiones
atmosféricas, prácticamente nulo.
En el siglo VII se empezó a diseñar turbinas de eje vertical las cuales permitían moler grano
y bombear agua, sin embargo se observo que entre mas oscilaciones daba la turbina se podía
generar mas energía mecánica obteniendo mejores rendimientos en sus procesos productivos,
sin embargo estas turbinas tenían un diseño no aerodinámico, por el contrario las turbinas
modernas tienen un diseño diferente donde sus aspas tienen forma aerodinámica
aprovechando mejor la velocidad del viento.
El consejo mundial de energía eólica (GWEC, siglas en ingles), evidencio una considerable
ampliación en el sector energético por parte de la energía eólica en Brasil, Canadá, México,
y Estados Unidos, por parte de la industria europea ha experimentado una ampliación en el
sistema eólica en sus principales urbanizaciones y fomentando el almacenamiento para la
expansión en el territorio.
En America Latina, (vease Tabla 1) Brasil es uno de los paises más destacados a nivel de
capacidad instalada con más de 2 GW para el año del 2017, comprometidos aún con crisis
políticas y económicas, sin embargo lideran latinoamerica en el aprovechamiento de la
energía eólica; Uruguay, segundo país en latinoamerica, con una propuesta ambiental muy
tentativa de generar el 100% de su energía basada en energías renovables, es su objetivo
principal en materia ambiental y en buena hora se esta logrando poco a poco.
8
Tabla 1.
Capacidad instalada de energía eólica en Latinoamérica (MW)
GLOBAL INSTALLED WIND POWER CAPACITY (MW) – REGIONAL DISTRIBUTION Latinoamerica y cabire Final de 2016 Nuevo 2017 Total 2017
Brasil 10.741 2.022 12.763
Chile 1.424 116 1.540
Uruguay 1.210 295 1.505
Costa rica 319 59 378
Panamá 270 - 270
Perú 243 - 243
Argentina 204 24 228
Honduras 180 45 225
Republica dominicana 135 - 135
Caribe 200 18 218
Otros 386 - 368
Total 15.312 2.578 17.891 Fuente: GWEC (2017)
Según el informe anual del 2017 de la GWEC (Consejo Mundial de Energía Eólica), se
evidencia una reducción en las instalaciones chinas de aerogeneradores, como se observa en
la parte izquierda de la Figura 1, una gran parte se llevaba china en la instalación de energía
eólica a nivel mundial, mientras que en la parte derecha de la Figura 1 se observa la
reducción de una parte de la instalación eólica de China, sin embargo esa diferencia que
hubo fue compensada por el resto del mundo, donde EEUU es uno de los paises más
visioneros a mediano plazo para aumentar su capacidad instalada, y el apoyo del resto del
mundo fue considerable, para el 2017 se obtuvo una instalación de 52,573 MW para un total
instalado mundial de 539,581 MW.
9
Figura 1. Top 10 capacidad instalada Ene-Dic 2017 (Izquierda) Vs Top 10 Capacidad acumulada Dic 2017 (Derecha)
Fuente: GWEC (2017)
En Colombia, la región más atractiva con factores positivos para la implementación de la
energía eólica es la costa Atlántica, debido a que los vientos aumentan en dirección a la
península de la guajira, sin embargo, el departamento de Arauca y algunas zonas de los
altiplanos de las cordillera son puntos estratégicos a la hora de tomarlas como opción.
Una de las zonas que podría ser la alternativa como espacio para la adecuación de un parque
eólico es sobre la media y alta guajira, representa los factores más óptimos debido a sus
corrientes de viento y sus características físicas para la construcción y adaptación.
Como se muestra en la Figura 2, Colombia posee un parque eólico llamado Jepirachi en
funcionamiento desde abril de 2004 está conformado de:
15 Aerogeneradores Nordex N60/250 que producen 1,3 MW Total ( 19,5 MW).
10
Figura 2. Parque eólico Jepírachi.
Fuente: EPM (2013)
La Figura 3 nos muestra la composición del parque eólico de Jepírachi en la Guajira, el cual
está constituido por filas de 7 y 8 aerogeneradores respectivamente, teniendo un total de 15
aerogeneradores donde cada aerogenerador aporta 1,3 MW. Jepirachi se registra como
Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) por la convención marco de las naciones unidas
para el cambio climático, fue puesto en marcha el 19 de abril del 2004.
Figura 3. Estructura del parque eólico Jepírachi.
Fuente: Los autores
Entre el cabo de la vela y Puerto Bolívar se encuentra el parque eólico Wayuu, allí los vientos
tienen velocidades de 9,8 m/s casi en la mayor parte del año, con capacidad de generación de
19,5 MW, máximo permitido por la legislación colombiana para que centrales de energía
11
alternativa entren al mercado regulado de la bolsa nacional energética, que atiende el sistema
interconectado nacional.
Actualmente la única planta eólica está ubicada en la Guajira en función, sin embargo no está
del todo inmersa en el sistema interconectado nacional, esto debido a que está estructurado
pero es a manera de plan piloto por parte de EPM (Empresas Públicas de Medellín) con el
fin de observar la capacidad, que sin embargo, nos evidencia un buen desempeño generando
cerca de 19,5 MW de potencia.
12
3. ESTADO DEL ARTE
3.1 Turbina eólica
Las turbinas eólicas también llamadas aerogeneradores son los encargados de la
transformación de la energía del viento en energía eléctrica. Dependiendo de la aplicación de
la energía generada se pueden diferenciar dos tipos de máquinas eólicas: Aerobombas y
aerogeneradores. (Mendez & Rodriguez, 2012). Las aerobombas son usadas para el bombeo
de agua proveniente de pozos de captación, mientras que los aerogeneradores son usados
para la generación de energía eléctrica.
Mosquera (2006) afirma, “Las máquinas empleadas para transformar la fuerza cinética del
viento en electricidad se llaman turbinas eólicas o aerogeneradores. Van situadas sobre una
columna o torre debido a que la velocidad del viento aumenta con la altura respecto al suelo.
Las turbinas han de situarse, además, lejos de obstáculos (árboles, edificios, etc.) que creen
turbulencias en el aire y, a ser posible, en lugares donde el viento sopla con una intensidad
parecida todo el tiempo, a fin de optimizar su rendimiento” (p. 118).
3.1.1. Tipos de aerogeneradores.
Los aerogeneradores pueden encontrarse dependiendo de su clasificación:
Según su eje: En esta clasificación se encuentran los aerogeneradores de eje vertical
y eje horizontal.
Según su cantidad de palas: Podemos encontrar aerogeneradores monopala, bipala y
tripala.
Según su potencia o tamaño: Se encuentran los aerogeneradores de baja, mediana y
alta potencia.
3.1.1.1. Según su eje.
Aerogeneradores de eje vertical:
Su eje de rotación esta situado perpendicularmente al suelo, se pueden
encontrar de dos tipos:
13
Aerogeneradores Darreius:
“Los del tipo Darreius están formados por dos o tres palas ovaladas de perfil
aerodinámico. Tienen características parecidas a los de eje horizontal, con un
par de arranque pequeño. Son poco utilizados” (Villarrubia, 2013, p. 136).
Este tipo de aerogenerador posee ciertas ventajas, puede trabajar con cualquier
dirección del viento sin necesidad de apartos de orientación como la veleta en
los aerogeneradores de eje horizontal, además su generador eléctrico esta
situado en la base del aerogenerador el cual facilita su mantenimiento.
El aerogenerador Darreius es poco usado debido a que necesita una serie de
alambres que lo sujetan al suelo para evitar movimientos involuntarios tal
como lo muesta la Figura 4, también necesita de motores auxiliares para su
arranque, los cuales son difíciles de conservar y para su mantenimiento se
debe desmontar el dispositivo.
Figura 4. Aerogenerador Darrieus
Fuente: Gstriatum (2015)
Aerogeneradores Savonius:
Villarrubia (2013) afirma que “Los del tipo Savonius son de pequeña potencia
y su campo de aplicación se restringe a la producción autónoma de
14
electricidad o al bombeo de agua” (p. 136). Poseen semicilindros helicoidales
como sistema de captación del aire, ver Figura 5, al ser de baja potencia, son
utilizados en lugares donde no poseen redes de distribución, pero no son
capaces de ser usados para generación a escala industrial.
Figura 5. Aerogenerador Savonius.
Fuente: Renugen (s.f.)
Aerogeneradoes de eje horizontal
Estos aerogeneradores son los mas usados a nivel mundial tanto para la
generación de energía eléctrica como para el bombeo de agua. Su eje es
paralelo al suelo y sus palas están situadas perpendicularmente a su eje como
se muestra en la Figura 6.
Este tipo de aerogenerador puede encontrarse con un número pequeño de palas
entre 1 a 3. “Cuanto mayor sea el número de palas o más anchas sean estas,
15
es decir, cuanta mayor superficie de paso se cubra, más energía se podrá
aprovechar” (Mendez & Rodriguez, 2012, p. 100).
Figura 6. Aerogenerador Horizontal.
Fuente: Ecovive (2010)
3.1.1.2. Según su cantidad de palas.
Aerogenerdores monopala
Fueron diseñados pensando en ahorrar costos de fabricación, es poco usado
debido a que su pala gira en grandes velocidades lo que provoca un alto ruido,
desequilibrio y vibración en todo su sistema aunque este posea un contrapeso
como se ve en la Figura 7.
16
Figura 7. Aerogenerador monopala.
Fuente: Ecovive (2010)
Aerogeneradores bipala
Al igual que los aerogeneradores monopala, el bipala, ver Figura 8 fue poco
usado por su alto ruido y gran velocidad en sus palas. Sin importar su segunda
pala, este tipo de aerogenerador solia desequilibrarse en el momento de
completar su giro, por lo cual habían probabilidades de que las palas chocaran
con la torre del sistema, para que esto no ocurriera se hicieron varios diseños
y construcciones.
Figura 8. Aerogenerador bipala.
Fuente: Ecología hoy (s.f.)
17
Aerogeneradores tripala
Después de la construcción de los aerogeneradores anteriores, se optó por
agregar una nueva pala con un ángulo de 120º entre palas como lo muestra la
Figura 9, con este diseño se eliminó el gran ruido que se generaban las palas
al rotar y se disminuyó la velocidad en que rotaban las palas, con esto último,
se redujo el desequilibrio del sistema. Con estos grandes cambios, este tipo de
aerogenerador fue el más apto para ser usado mundialmente en la generación
de energía eléctrica.
Figura 9. Aerogenerador tripala.
Fuente: Xataka ciencia (2009)
3.1.1.3. Según su potencia o tamaño.
Después de conocer que diseño de aerogenerador es el adecuado para la generación
de energía eléctrica, se debe determinar el tamaño adecuado dependiendo su uso. Un
generador pequeño depende de bajas velocidades del viento para funcionar
adecuadamente por lo que se generará poca potencia. Al contrario, si el generador es
grande, se necesitan altas velocidades del viento para su adecuado funcionamiento.
Se pueden distinguir tres tipos de aerogeneradores según su potencia:
18
Aerogeneradores de pequeña potencia:
Con una potencia inferior a 10 kW, se les conoce como microturbinas, debido
a su poca potencia, estas son usadas para la alimentación de equipos de
comunicación, dispositivos de señalización, etc.
Los aerogeneradores con una potencia entre 10 y 100 kW son usados para la
electrificación rural y en el mayor de los casos están combinados con sistemas
de generación fotovoltáica. (Mendez & Rodriguez, 2012).
Aerogeneradores de mediana potencia:
Tienen una potencia entre 100 kW y 1 MW, este tipo de generadores son
comúnmente usados para la electrificación de zonas alejadas a una red de
distribución de servicio de energía eléctrica y se usan como sistema industrial
para la generación de energía eléctrica.
Aerogeneradores de alta potencia:
Los aerogeneradores de este tipo tienen una potencia superior a 1 MW, son
usados en los parque eólicos para la generación de energía eléctrica a nivel
regional y nacional.
3.1.2. Partes del aerogenerador.
El aerogenerador consta de una serie de partes o componentes, las cuales tienen una
determinada función para que la turbina funcione adecuadamente, si alguna de estas partes
falla, aún si es la mas pequeña, toda la turbina falla.
Los aerogeneradores actuales que existen independientemente del tipo y dimensión, por lo
general están compuestos por una serie de palas, normalmente tres, que están unidas al rotor
como se muestra en la Figura 10, donde este se acopla a un generador eléctrico ya sea
19
directamente o por medio de un multiplicador o caja de cambios, de tal forma que se obtiene
la energía eléctrica a partir de energía eólica. (Arias & Tricio, 2013).
Figura 10. Partes de turbina eólica de eje horizontal.
Fuente: Así se hace (2009)
Torre:
La torre es la encargada de sostener la turbina con sus componentes y
mantenerla en una altura considerable para obtener mejores velocidades del
viento, debe ser resistente para soportar el peso de la turbina.
Nacela o góndola:
Es la estructura exterior de la turbina la cual contiene todos los componentes
internos de la misma como el freno, la caja de cambios, el generador, el
controlador y los ejes.
Palas y rotor:
El número de las palas varia entre 1 a 3, aunque actualmente las turbinas
eólicas más usadas son de 3 palas para un mejor giro. Las palas son las
20
encargadas de recibir la fuerza del viento y mediante su forma aerodinámica
estas se mueven con ayuda del rotor lo que produce el funcionamiento de la
turbina.
Arias & Tricio (2013) afirman que “La longitud de las aspas dependerá de la
zona de emplazamiento, es decir, de la cantidad y velocidad del viento así
como de la potencia que se quiera obtener del dispositivo” (p. 55).
Eje de baja velocidad:
Este eje va conectado con el rotor directamente a la caja de cambios.
Caja de cambios:
La caja de cambios es la encargada de ajustar la velocidad del eje de baja
velocidad a la velocidad adecuada que necesita el generador.
Freno:
Las turbinas eólicas poseen un sistema de frenado que va conectado con el eje
de alta velocidad, es utilizado cuando se necesita algún mantenimiento a la
turbina o en caso de emergencia.
Eje de alta velocidad:
Es el encargado de dar el funcionamiento al generador eléctrico, está
conectado directamente con el freno mecánico de emergencia.
Generador:
Es el encargado de convertir la energía cinética del viento en energía eléctrica,
la cual es conducida hasta la parte baja de la torre donde se encuentra el
transformador.
21
Controlador:
El controlador monitorea las condiciones de la turbina por si hay algún
sobrecalientamiento o error, así como el mecanismo de orientación mediante
los datos suministrados por el anemómetro y la veleta.
Rotor de orientación:
Encargado de darle la orientación adecuada a la turbina cuando el viento
cambia de dirección.
Motor del rotor de orinteación:
Este motor se encarga de darle un cambio de dirección a la turbina por medio
del rotor de orientación.
Anemómetro:
Mide la velocidad del viento y suministra la información al controlador para
indicar el encendido y apagado de la turbina.
Veleta:
Se encarga de verificar la dirección del viento y suministrar la información al
controlador para indicar en que orientación girar la turbina.
3.2. Instrumentos de la medición del viento
Los aerogeneradores necesitan de una medición constante de la velocidad y dirección del
viento para funcionar adecuadamente, por lo tanto se hace uso de una serie de instrumentos
que pueden ir acoplados directamente a la turbina del aerogenerador o pueden tener un sitio
específico en donde se realiza un análisis de la característica del viento con relación a los
datos suministrados por estos instrumentos.
22
3.2.1. Anemómetro.
Este instrumento es el encargado de realizar la medición de velocidad del viento. Vease
Figura 11. Los aerogeneradores de alta potencia encontrados en los parques eólicos, suelen
tener el anemómetro incorporado a la turbina en su parte exterior, se encuentra conectado
con el controlador, el cual recibe los datos suministrados del anemómetro. Algunos
anemómetros suelen estar incorporados con una veleta para que cada instrumento mida la
velocidad y la orientación del viento en el lugar de medición indicado como se muestra en la
Figura 12.
Figura 11. Anemómetro.
Fuente: Okdiario (2018)
Los anemómetros también pueden estar ubicados en sitios concretos con el fin de analizar
los datos y características del viento para distintos proyectos. Villarrubia (2013) afirma que
“En estaciones autónomas, no conectadas directamente a una red de captación y tratamiento
de información, los datos se capturan, se guardan en un registrador de datos (data logger) y
periódicamente se recogen para su posterior tratamiento” (p. 47)
23
Figura 12. Agrupación de anemómetro y veleta.
Fuente: Mimeteo (2010)
La velocidad del viento es medido por el anemómetro, este tiene un eje vertical rotatorio que
contiene tres semiesferas equidistantes entre si, las cuales se encargan de recibir el viento. El
anemómetro registra el número de revoluciones por segundo de la velocidad del viento que
es expresada en m/s. (Vega & Ramirez, 2014).
3.2.1.1. Data logger.
Este dispositivo electrónico es el encargado de almacenar los datos suministrados por
el anemómetro cuando este está ubicado en estaciones autónomas, vease Figura 13.
Mendez & Rodriguez (2012) describen que “Se trata de un equipo electrónico
constituido por un pequeño ordenador que almacena los datos aportados por los
distintos sensores, normalmente con una frecuencia diez minutal, y que está
alimentado por baterías, que adicionalmente pueden recargarse mediante modulos
fotovoltáicos” (p. 67)
24
Figura 13. Data logger.
Fuente: Habitissimo (s.f.)
3.2.2. Veleta.
La veleta como se muestra en la Figura 14, es un intrumento que va incorporado a la turbina
del aerogenerador, el cual se encarga de darle orientación a la turbina dependiendo del
cambio de dirección del viento, a través de datos que este envía al controlador, para que la
turbina pueda aprovechar todo el viento sin importar la dirección que este tome.
Figura 14. Veleta.
Fuente: Herter instruments (s.f.)
25
Villarrubia (2013) afirma que “Consiste en un dispositivo montado sobre un eje vertical y
que puede girar libremente por acción del viento cuando este cambia de dirección” (p. 49)
3.2.2.1. Rosa de los vientos.
Es la representación gráfica del cambio de dirección del viento medido por la veleta.
Vease Figura 15. “La rosa de los vientos se divide en varios sectores, entre 8 y 16,
siendo 12 el número más usual ya que es el que se emplea en el Atlas Eólico Europeo”
(Vega & Ramirez, 2014, p. 70)
Figura 15. Rosa de los vientos.
Fuente: Guerrero, P. (2011)
La dirección del viento se expresa a partir de las direcciones que se indican en la rosa
de los vientos o también puede indicarse mediante grados que son medidos sobre un
círculo graduado de acuerdo al sentido de las agujas del reloj tomando como origen
la dirección norte. ( Vega & Ramirez, 2014)
26
4. MARCO GEOGRÁFICO
El desarrollo y aplicación del presente trabajo se realizará en la localidad de Bosa,
específicamente en la Sede ciudadela educativa el porvenir ubicada en la Calle 52 sur No 92ª
– 45. Dado que las diferentes localidades de Bogotá D.C. poseen diversas características ya
sean físicas o ambientales, se dará una breve descripción sobre la localidad de Bosa y sus
características.
4.1. Localidad de Bosa
Es la localidad No 7 de Bogotá D.C. posee 2395,59 hecateras, compuesta por 5 Unidades de
planeación zonal (UPZ), las cuales son Bosa occidental, Bosa central, El porvenir, Tintal sur
y Apogeo, entre estas 5 UPZ contienen 381 barrios. Según el diagnóstico local con
participación social del 2009 – 2010, los cálculos de población proyectada para la localidad
de bosa por parte de la Secretaría distrital de planeación, para el año 2017 Bosa contaría con
731.047 habitantes y para el año 2018, contará con 753.496 habitantes1.
4.1.1. Características ambientales.
4.1.1.1. Hidrología.
El sistema se encuentra formado por las cuencas del Río Tunjuelo, el Tintal y las
Chucuas2.
Cuenca del río Tunjuelo: Conformada por una zona alta rural y caracterizada por
alta pluviosidad que genera crecientes en la zona.
Cuenca del Tintal: Ubicada al occidente entre los ríos fucha y Tunjuelo, recibe aguas
de las urbanizaciones ubicadas al oriente de la avenida Cundinamarca.
1 Diagnóstico local con participación social 2009 – 2010 - Alcaldía Mayor de Bogotá D.C. 2 Nombre con el que los muiscas se referían a los humedales o pantanos.
27
Chucuas: Se encuentran en la parte baja donde suelen haber lugares inundados, los
cuales generan zonas pantanosas, se observan cerca a la desembocadura del río
Tunjuelo, como el Humedal tibanica y el Humedal la isla.
4.1.1.2. Temperatura.
Para Bosa se vinculan las estaciones de monitoreo de calidad del aire de Kennedy y
Cazucá, las cuales registran una temperatura promedio anual entre 13 y 14 ºC. El
comportamiento de la temperatura depende del horario, mientras en las horas de 5 a
7 de la mañana se presentan bajas temperaturas, en las horas de la tarde entre las 12
del medio día y las 3 pm aumenta la temperatura a su máximo diario, disminuyendo
hasta las 5 de la mañana.
4.1.1.3. Precipitación.
Con relación al informe anual de calidad del aire en la ciudad de Bogotá3 para el año
2018 realizado por la secretaría de ambiente, y de acuerdo a la estación de monitoreo
de Kennedy vinculada a la localidad de Bosa, en el año 2018 tuvo una precipitación
de 723 mm.
4.1.1.4. Viento.
De acuerdo al informe anual de calidad del aire en la ciudad de Bogotá para el año
2016 realizado por la secretaría de ambiente, y de acuerdo a la estación de monitoreo
de Kennedy vinculada a la localidad de Bosa, en el año 2018 tuvo una velocidad del
viento promedio de 2,3 m/s, con vientos provenientes del sur y sur occidente.
3 Informe anual de calidad del aire en Bogotá año 2018. Red de monitoreo de calidad del aire de Bogotá.
28
4.1.1.5. Ruido.
En la localidad no existe un diagnóstico para determinar los niveles del ruido, sin
embargo, los habitantes afirman que existe contaminación auditiva por medio de los
restaurantes, tabernas, comercios de ropa y la congestión vehicular.
4.1.1.6. Usos del suelo.
En Bosa se pueden encontrar varios usos de suelo, en los cuales predomina la zona
residencial y la zona residencial con actividad econónimca. Se puede encontrar la
zona de suelo protegido siendo la ronda hídrica del Río Bogotá y el Río Tunjuelo.
Posteriormente está la zona de servicios urbanos, en la cual hace parte el terminal del
sur y el portal del sur del Transmilenio. Por ultimo está presente la zona industrial,
esta zona se encuentra dispersa en toda la localidad, principalmente al oriente en la
autopista sur.
4.2. Sede Ciudadela Educativa El Porvenir
Ubicada en el Porvenir con dirección Calle 52 sur No. 92ª – 45, con coordenadas 4°38'13.0"N
74°11'08.1"W como se muestra en la Figura 16, cuenta con un área de 28.374m2. El pasado
06 de agosto del año 2017 se realizó la apertura oficial de la Ciudadela universitaria el
Porvenir de la Universidad distrital Francisco José de Caldas, una sede ubicada en la
localidad de bosa la cual se consolida como una sede de ampliación estudiantil, aportando
cerca de 7 mil cupos a la educación superior y permitiendo albergar más campos de
investigación por medio de sus laboratorios, bibliotecas, hemerotecas, aulas grupales,
magistrales entre otras.
29
Figura 16. Ubicación Universidad Distrital sede ciudadela educativa el porvenir.
Fuente: Google Maps (2018)
La sede se gana el concurso de la sociedad colombiana de arquitectos, por la dimensión
estructural, su aporte a la educación superior es muy importante primero por su ubicación la
cual ayudará a que una gran parte de la población de la localidad se vea muy beneficiada.
Figura 17. Edificio de aulas junto al eficicio de laboratorios.
Fuente: Los autores
30
A esta sede se trasladan 5 programas: Ingeniería sanitaria, Administración deportiva,
Administración ambiental, Tecnología en gestión ambiental y servicios públicos, y
Tecnología en saneamiento ambiental, aparte de los traslados de los programas mencionados,
la Universidad Distrital quiere crear 4 programas más para la Sede, entre ellos se encuentra
la primera carrera de comunicación social y periodismo en una universidad pública, también
se ofertará archivista y documentación, tecnología en salud ocupacional y tecnología en
logística y operaciones.
Figura 18. Edificio de aulas.
Fuente: Los autores
La nueva sede cuenta con 55 salones, 13 laboratorios, biblioteca especializada y auditorios
así como espacios abiertos para que los estudiantes puedan recorrer en su tiempo libre o para
ser usados como lugares de reposo. La construcción de esta Sede se realiza para minimizar
la sobrepoblación de estudiantes en la Sede del vivero donde se ocupa 1,51 m2 por estudiante,
mientras que en la nueva Sede se ocuparía 3,35 m2 por estudiante.
31
Figura 19. Edificio de laboratorios. Fuente: Los autores
Con la construcción de esta sede se dierón más oportunidades de estudio para los jóvenes de
ese sector al tener una sede cercana evitando así los largos viajes a otras sedes como la
Famarena o la Macarena. El traslado de las carreras anteriormente mencionadas a la
Ciudadela Universitaria el Porvenir, trajo consigo un cambio de jornada estudiantil, ya que
algunas de estas carreras tenían un horario tarde-noche como la Tecnología en gestión
ambiental y servicios públicos y la ingeniería sanitaria, ahora con el traslado de sede su
horario cambia a diurno con el fin de evitar que ocurra algún tipo de accidente a los
estudiantes en el momento de tomar el transporte como buses, busetas o Transmilenio.
32
Figura 20. Lateral del edificio de laboratorios.
Fuente: Los autores
Para realizar las pruebas tanto de la turbina eólica como mediciones de la velocidad del aire,
se tendrá en cuenta la terraza del edificio de laboratorios de la sede Ciudadela Universitaria
el Porvenir como punto de experimentación y aplicación de la turbina ya que es el punto más
alto de la sede, está al aire libre y por lo tanto se encontrarán buenas fuerzas y velocidades
del viento que favorecerán a la turbina.
Figura 21. Panorámica de la terraza del edificio de laboratorios.
Fuente: Los autores
33
5. PROCESO METODOLÓGICO
5.1. Metodología
En esta etapa del documento se explicará la metodología y el enfoque en el cual se basa esta
investigación, describiendo los elementos necesarios para el desarrollo del estudio de
viabilidad de generacion de energía eléctrica a través de una turbina eólica de baja potencia
para la sede de bosa el porvenir, de acuerdo a los objetivos del proyecto.
5.1.1. Enfoque de Investigación.
Los enfoques de investigación se dividen en cualitativos, cuantitativos y mixtos, el enfoque
cuantitativo se basa en comprobar una hipótesis, mediante la recolección de datos por medio
de la medición numérica, analizando el comportamiento de la investigación partiendo de
datos numéricos y en base a estudios probabilísticos. (Sampieri, 2006). La hipótesis planteada
puede tomarse como una respuesta opcional mientras en el desarrollo del documento se
encuentra la principal respuesta a nuestro problema por medio de la experimentación
numérica.
De esta forma, se aclara que este documento hará uso de datos numéricos y probatorios para
la determinación de la viabilidad de generación de energía eléctrica a través de una turbina
eolica de baja potencia, por ello se determino el uso del enfoque cuantitativo para el
desarrollo del proyecto.
5.1.2. Tipo de Investigación.
Para el desarrollo de toda investigación es necesario definir un tipo de investigación, Según
Dankhe (1986), existen cuatro tipos de investigación: Exploratorios, descriptivos,
correlaciónales y explicativos.
En base a esta clasificación, se determina el uso de la investigación exploratoria con el fin de
verificar las condiciones necesarias para la generación de energía eléctrica con una turbina
eólica de baja potencia, este tipo de investigación permite examinar un tema poco estudiado
34
como lo es la energía eólica en la sede de la Universidad Distrital ubicada en la localidad de
Bosa en el sector el porvenir.
La investigación exploratoria permite indagar sobre nuevos proyectos con poca información
documentada, promoviendo la ampliación a nuevos estudios innovadores, nuevos problemas,
construir investigaciones de fenómenos desconocidos que en un futuro puedan ser
complementados. Según Sampieri (2006) “Los estudios exploratorios se realizan cuando el
objetivo es examinar un tema o problema de investigación poco estudiado, del cual se tienen
muchas dudas o no se ha abordado antes” (p. 91)
5.1.3. Diseño de investigación.
En base a los conceptos de Campbell y Stanley (1966), se diseño un diagrama que muestra
los tipos de diseño de investigación como se ve en la siguiente figura.
Con relación al diagrama anterior, el objetivo de estos diseños es comprobar o responder las
teorías o hipótesis planteadas en el documento, para el desarrollo del presente trabajo se eligió
el diseño experimental, específicamente el cuasi experimental debido a que este diseño se
encarga de manipular una variable independiente para relacionarla con una o mas variables
dependientes. (Sampieri, 2006)
Diseño de investigación
Experimental
No experimental
Pre experimentos
Experimentos puros
Cuasi experimentos
Transversales
Longitudinales
Figura 22. Diseño de investigación
Fuente: Los autores
35
5.2. Proceso metodológico
La metodología utilizada para la elaboración de “Viabilidad de generación de energía
eléctrica a través de una turbina eólica de baja potencia para la sede de Bosa Porvenir”, se
desarrollará con relación en las siguientes fases:
5.2.1. Fases.
5.2.1.1. Identificacion del caso.
En esta fase se hace el planteamiento del problema, la construcción de hipótesis
basadas en el método científico, elaboración del marco de referencia y conceptual.
5.2.1.2. Informacion de base.
Se recopila información referente a los sistemas de generacion de energía eléctrica
por medio de turbinas eólicas, características geográficas, climáticas y de sistemas
eólicos, levantamiento de información en relación a programas y planes existentes en
la localidad de Bosa, Para tener mejor información con relación a la energía eólica y
su generación, se realizará un análisis a las características de la turbina eólica de baja
potencia que será utilizada en el presente proyecto, mediante los diferentes
experimentos que se irán realizando, se identificarán los rangos de velocidades del
viento para conocer cuáles serán los adecuados para que la turbina funcione y genere
energía eléctrica eficiente.
5.2.1.3. Procesamiento de datos.
Después de recopilar la información, se organiza de forma sistemática en base a la
hipótesis planteada, permitiendo analizar de manera objetiva cada uno de los
resultados obtenidos en el proceso experimental.
36
5.2.1.4. Conclusiones.
En esta fase se realiza las conclusiones en base a los resultados obtenidos, los cuales
nos permiten determinar la viabilidad para la generación de energía eléctrica por
medio de la turbina eólica en la Sede Bosa el porvenir.
5.2.1.5. Documento final.
Después de realizado el proceso en las fases anteriores, se procede a acoplar la
información terminada para dar un desarrollo del trabajo final “Viabilidad de
generación de energía eléctrica a través de una turbina eólica de baja potencia para la
sede de Bosa Porvenir”
5.2.2. Desarrollo metodológico.
Para el buen desarrollo de la metodología, haremos uso de instrumentos con relación a las
fases con el fin de dar cumplimiento a los objetivos planteados, como se muestra en las
siguientes tablas.
Tabla 2
Desarrollo metodológico de la velocidad del viento en la sede bosa porvenir.
Objetivo
Específico
Identificar la velocidad del viento en la sede de Bosa Porvenir.
Actividades
Principales
Visitas a la terraza del edificio del laboratorios de la Sede Bosa el
porvenir.
Mediciones de la velocidad del viento.
Participantes Estudiantes.
Docentes de laboratorio.
Director de tesis.
Instrumentos de
Recolección de
Información
Anemómetro.
RETScreen.
Tablas.
Gráficas.
Resultados Velocidad del viento promedio por medio del anemómetro y la
estación meteorológica del laboratorio de calidad del aire. Fuente: Los autores.
37
Tabla 3
Desarrollo metodológico de selección de la turbina eólica.
Objetivo
Específico
Seleccionar la turbina eólica de baja potencia.
Actividades
Principales
Investigación de tipos de turbinas eólicas de baja potencia en tiendas
online.
Listado de posibles turbinas eólicas a seleccionar.
Participantes Estudiantes.
Instrumentos de
Recolección de
Información
Paginas web de tiendas virtuales.
Resultados Selección de la turbina eólica adecuada a los requerimientos
estipulados. Fuente: Los autores.
Tabla 4 Desarrollo metodológico de las cargas seleccionadas.
Objetivo
Específico
Elegir las cargas del laboratorio a alimentar.
Actividades
Principales
Reunir información con relación a las cargas presentes en el
laboratorio y realizar un listado para seleccionarlas.
Participantes Estudiantes.
Docentes de laboratorio.
Instrumentos de
Recolección de
Información
Laboratorio.
Fotografia.
Resultados Listado de cargas seleccionadas.
Potencia total de las cargas. Fuente: Los autores.
38
Tabla 5 Desarrollo metodológico de viabilidad de generación electrica de la turbina eólica de baja potencia.
Objetivo
Específico
Desarrollar documento final de “Viabilidad de generación de energía
eléctrica a través de una turbina eólica de baja potencia para la sede
de Bosa Porvenir”.
Actividades
Principales
Desarrollo de la propuesta.
Participantes Estudiantes.
Director de tesis.
Instrumentos de
Recolección de
Información
Biblioteca.
Fotografías.
Diagramas.
Tablas.
Gráficas.
Resultados Documento final. Fuente: Los autores.
39
6. DESARROLLO DE LA PROPUESTA
Para el desarrollo de la propuesta se plantea el uso de la turbina eólica de baja potencia que
estará ubicada en la terraza del edificio de laboratorios de la sede de Bosa el Porvenir, por
medio de esta turbina se pretenden alimentar varias cargas del laboratorio (las cuales se
seleccionaran posteriormente) a través del banco eólico del laboratorio de servicios públicos
para que estas puedan funcionar de manera autónoma sin necesidad de conexiones externas
o conexiones en la red.
El banco eólico está ubicado en el sistema de aprendizaje de energías alternativas (alternative
energy learning system) de marca Amatrol modelo 850-AE (Figura 23), ubicado en el
laboratorio de servicos públicos de la universidad Distrital Sede Bosa el Porvenir, el cual se
compone por dos secciones, la primera ubicada en la parte izquierda del sistema basada en la
obtención de energía eólica (Figura 24) , y la segunda ubicada en la parte derecha basada en
energía solar (Figura 25Figura 25) esta contiene dos paneles solares los cuales están
conectados detrás del sistema, ambas partes alimentan la batería del sistema la cual almacena
la energía generada.
Figura 23. Sistema de aprendizaje de energías alternativas
Fuente: Los autores
40
Figura 24. Simulador energía eólica
Fuente: Los autores
Figura 25. Simulador energía solar
Fuente: Los autores
6.1. Elementos del banco eólico
El banco eólico del sistema de aprendizaje de energías alternativas está compuesto por varios
elementos los cuales tienen una respectiva función, este conjunto de elementos se encargan
del optimo funcionamiento del proceso de generación, y transformación de la corriente
producida por la turbina eólica, los siguientes elementos corresponden a la sección de energía
eólica:
41
6.1.1. Inversor.
Inversor diseñado para sistemas remotos no conectados a la red, adecuado para el uso de
electrificación rural, residencial, iluminación entre otros, opera con una potencia nominal de
300w, es el encargado de transformar la corriente directa de 12 voltios de entrada
suministrada por la turbina eólica en corriente alterna de 115 voltios como corriente de salida
con una eficiencia del 92% .
Morningstar SureSine-300 es
Dimensiones: 6.0 x 8.4 x 4.1
Peso: 10 Lbs
Bajo autoconsumo: 450 mA mientras alimenta las cargas
Amplias protecciones electrónicas, automáticamente se protege de cortos circuitos y
fallas en el sistema hasta recuperarse.
No posee ventilador de enfriamento interno
Encendido / Apagado remoto facilitando la seguridad
Funciona perfectamente en regiones calidas como frias
Figura 26. Inversor
Fuente: Los autores
42
Se entiende por eficiencia la capacidad de realizar o cumplir una función de manera optima,
en la Figura 27 se muestra una grafica de Eficiencia (%) vs Potencia (Watts), donde se
observa una relación inversamente proporcional entre la variable independiente ( Potencia )
con la variable dependiente ( Eficiencia ), a mayor potencia menor eficiencia.
La temperatura ambiente juega un papel muy importante debido a que en climas tropicales o
a altas temperaturas la potencia de salida contínua se reduce, es decir que a partir de 25ºC si
se aumenta la temperatura cada 5ºC se reduce 20 Watts en potencia de salida, asi como se
muestra en la siguiente figura.
Figura 27. Eficiencia vs Potencia
Fuente: Morningstar (2014)
43
6.1.2. Motor.
Figura 29. Motor Daytona
Fuente: Los autores
Figura 28. Relación temperatura vs potencia de salida
Fuente: Mornigstar (2014)
44
Motor Dayton modelo 4Z528D con una potencia de 162 W, 1/6 de caballos de fuerza y 90
voltios de corriente directa, es el encargado de simular el movimiento de las aspas de una
turbina eólica con una velocidad de rotación de hasta 1800 RPM, conectado directamente a
un generador, así mismo está conectado a un panel para controlar el encendido y apagado del
motor, así como la velocidad en que este puede girar.
Dayton modelo 4Z528D
Son de tipo TENV (Cerrados sin ventilación)
Servicio de 8 horas diarias
Temperatura ambiente de 40º C
Imanes orientados de cerámica de ferrita y escobillas que se pueden reemplazar
externamente
Torque: 5,84 Nm
Amperios de carga completa: 1,8
Diametro del eje : ½ pulgada
6.1.3. Data logger.
Figura 30. Data Logger
Fuente: Los autores
45
Encargado de almacenar la información suministrada por el simulador de energía eólica
como de energía solar, recibe los diferentes datos que arrojan los simuladores a la hora de su
uso como datos de cuanta energía están generando, estos datos pueden ser recogidos y
visualizados por medio de un computador a través de un software llamado EZ Datalogger,
con este software se pueden visualizar los datos en tiempo real mediante graficos, indicadores
lineales, indicadores angulares entre otros, también contiene una base de datos en el cual se
puede almacenar la información para ser exportada posteriormente en archivos de Excel.
Modelo: 85-ADA1
Es un modulo con diferencial de 10 canales o entradas analógicas de un solo extremo de 20
canales, cada canal analógico tiene un a protección de alto voltaje de 240 Vrms.
Servidor web incorporado
HMI web
Seguridad de la comunicación
Doble perro guardian
Amplio rango de temperatura de funcionamiento: - 25º C + 75ºC
6.1.4. Batería.
Figura 31. Batería vista general
Fuente: Los autores
46
Bateria modelo Sun Xtender® PVX-1040T de 12 voltios es usada cuando no esta en marcha
ningún simulador ya sea eólico o solar, puede ser cargada por los dos simuladores, el sistema
posee un controlador de cargar el cual indica el estado de carga de la batería.
Materiales: diseño en plomo acido, utiliza rejillas de calcio de plomo puro
Aisladores de micropropileno de polietileno, que protehen las placas de cosrtos
circuitos, golpes o vibraciones
Dimensiones: 22,7 cm de alto, 30,5 cm de ancho, 16,8 cm de largo
Los terminales T de aleacion de cobre son reisstentes a la corrosion y se suministran
a tornillos y arandelas de bronce de silicona
Figura 32. Dimensiones de la batería
Fuente: Sunxtender (2017)
47
De acuerdo a la Figura 33 es necesario analizar la comparacion existente entre Bateria AGM
y GEL, empezando por la Bateria AGM ( Fibra de vidrio absorvente ), esta bateria cuenta
con mayor eficacia de masa activa debido a la mejor absorcion del acido, por ende mayor
vida util a causa del desprendiemiento minimo de material activo por el diseño de la bateria,
mejor velocidad de arranque en frio, a diferencia de la Bateria de GEL se caracterizan por
tener un voltaje intermedio, es mas demorado el arranque en frio, su vida util es mas reducida,
presentando ciertas desventajas frente a las baterias de AGM.
Asi que, podemos observar una diferencia clara en la Figura 33, la cual muestra mayor
durabilidad o ciclo de vida de la bateria de AGM ( Fibra de Vidrio Absorvente ) en relacion
con la capacidad de descarga, esto indicando una bateria que se descarga mas despacio y con
mayor vida util.
Figura 33. Comparación del ciclo de vida entre dos tipos de baterías
Fuente: Sunxtender (2017)
48
Figura 34. Relación de capacidad de la batería vs temperatura
Fuente: Sunxtender (2017)
6.1.5. Medidores.
Figura 35. Medidor digital de corriente
Fuente: Los autores
Figura 36. Medidor análogo de corriente
Fuente: Los autores
49
Modelo RM-1, compuesto por dos medidores análogos y un medidor digital de marca
Morning Star capaces de proporcionar información de la variación de la corriente directa,
aparte de esto, el medidor digital Morning Star también muestra información del voltaje y la
temperatura actual, este es compatible con cualquier controlador o inversor. Estos
dispositivos son de fácil uso e instalación, son de bajo autoconsumo y son ideales para
suministrar información necesaria.
Compatible con:
Pro star (Gen 3)
Controlador Sunsaver Duo
Controlador prostar MPPT
Controlador Sunsaver MPPT
Inversor SureSine
Su instalación es sencilla y fácil de usar, a parte de su beneficio por el funcionanmiento con
bajo consumo, luz de fondo apagada 6mA, Luz de fondo en 15mA.
50
6.2. Diagrama de instalación
Figura 37. Ubicación de la turbina eólica en la terraza de la sede de Bosa el Porvenir.
Fuente: Los autores
La turbina será ubicada en la parte norte de la terraza del edificio de laboratorios, exactamente
perpendicular al laboratorio de servicio publicos, de esta forma se podrá ingresar facilmente
la instalacion eléctrica hacia el interior del laboratorio conectando a su vez al sistema de
aprendizaje de energías alternativas (Figura 23).
La turbina se pretende posicionar en esa ubicación para que las intalaciones eléctricas sean
más sencillas, sin embargo, la turbina eólica podría ser ubicada en cualquier parte de la
terraza del edificio de laboratorios ya que el viento llega de igual forma y velocidad sería la
misma en toda la terraza.
51
Figura 38. Diseño de instalación
Fuente: Los autores
El diagrama de instalación muestra la distribución de la corriente y sus posibles variaciones,
esta inicia con la Turbina eólica de baja potencia encargada de generar la corriente Directa
(DC) pasando por el regulador que se encarga de estabilizar las tensiones, luego esta es
almacenada en la batería (Figura 31), posteriormente la corriente viaja a través del conductor
hacia el inversor (Figura 26) donde se transforma de corriente directa (DC) a corriente
Alterna (AC), llegando la corriente alterna al panel de distribución y a sus posibles cargas.
El inversor, la batería y el panel de distribución se encuentran en el sistema de aprendizaje
de energías alternativas del laboratorio de servicios públicos (Figura 23Figura 23), donde
estará conectada la turbina eólica.
6.3. Analisis de la velocidad del viento
Para la identificación de la velocidad del viento se analizaran diferentes fuentes para
determinar la velocidad promedio de la sede de bosa el porvenir de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, estos datos pueden ser obtenidos mediante mediciones o por medio
de un software llamado RETScreen que analiza las características de un lugar específico.
52
6.3.1. RETScreen.
Estas características se pueden obtener gracias a un software llamado RETScreen el cual esta
conectado con satélites de la NASA, este software permite realizar análisis de viabilidad de
proyectos con relación a las energías limpias, eficiencias energéticas y rendimientos
energéticos mostrando valores en tiempo real.
Este software contiene 4 tipos de análisis como se puede observar en la siguiente figura:
Figura 39. Tipos de análisis RETScreen
Fuente: RETScreen
Analizador de energía virtual:
Determina rápidamente la producción de energía y el potencial de ahorro en
cualquier punto del mundo, mediante un sistema de clasificación de 5 estrellas
basado en datos de referencia y sin necesidad de visitar las instalaciones.
53
Identificador de proyecto inteligente:
Identifica con precisión los mejores proyectos que se pueden implementar en
la instalación y realiza de forma inteligente un análisis de previabilidad. El
análisis se puede afinar posteriormente en el sitio.
Evaluador de riesgos financieros:
Evalúa automáticamente el riesgo financiero de la inversión propuesta y
determina sistemáticamente la sensibilidad de los parámetros de la clave de la
viabilidad del proyecto.
Monitor del proyecto:
Mide y comprueba exhaustivamente el comportamiento real de los proyectos
realizados e identifica posibles mejoras complementarias relacionadas con la
energía de las instalaciones.
6.3.2. Velocidad del viento.
Con la ayuda del software de RETScreen se pueden conocer las características climatológicas
de un sector o de un sitio específico, para este caso con la ayuda del mapa de RETScreen
buscamos la localización de la Sede de Bosa el Porvenir como se muestra en la siguiente
figura.
Figura 40. Ubicación de la sede Bosa el Porvenir
Fuente: RETScreen
54
Después de haber localizado el sector para analizar, el software automáticamente nos muestra
todas las características del sector como la precipitación, temperatura tanto del aire como del
suelo, radiación solar, presión atmosférica y velocidad del viento, así como su respectivo
valor dependiendo del mes y un valor promedio anual como se muestra en la siguiente figura.
Figura 41. Características y valores mensuales
Fuente: RETScreen
Para este caso solo se necesitan los datos de la velocidad del viento para ser analizados, por
lo tanto el software crea automáticamente graficas donde se pueden comparar distintos
valores como se muestra en la siguiente figura.
Figura 42. Velocidad del viento vs Temperatura del aire
Fuente: RETScreen
55
En la anterior figura se observa que la velocidad del viento permanece constante entre el mes
de enero al mes de marzo, durante el mes de abril baja su velocidad y a partir del mes de
mayo la velocidad del viento comienza a aumentar hasta alcanzar una velocidad máxima de
2,7 m/s en el mes de julio, después su velocidad baja hasta tener una velocidad minima de
2,0 m/s en los meses de octubre y noviembre y nuevamente para el mes de diciembre la
velocidad empieza a subir con un valor de 2,3 m/s, teniendo como un promedio anual de
velocidad del viento en 2,3 m/s.
6.3.3. Dirección del viento.
La dirección y velocidad del viento nunca es la misma en todas partes, por lo tanto se
establecen estaciones meteorológicas en todo el territorio de Bogotá D.C. que también
ayudan en la medición de la velocidad del viento y la dirección en la que este viaja, para las
mediciones del viento en la localidad de Bosa se utiliza la estación meteorológica ubicada en
la localidad de Kennedy, la cual abarca gran parte de la localidad de Kennedy y la localidad
de Bosa.
De acuerdo a las mediciones presentadas en el Informe anual de la calidad del aire en Bogotá
año 2018 realizado por la secretaría de ambiente, se muestra la rosa de los vientos de la
estación meteorológica de Kennedy que analiza la dirección del viento del año 2018 (Figura
43), en la cual se puede observar tanto la dirección del viento como la velocidad media
predominante, para el sector de Kennedy y Bosa la dirección donde el viento sopla con un
porcentaje de 21% del tiempo anual es por el Sursureste, esto quiere decir que por el
Sursureste es donde el viento sopla con mas frecuencia durante un año.
56
Figura 43. Rosa de los vientos estación meteorológica de Kennedy.
Fuente: Informe de calidad del aire de Bogotá 2018
Por otro lado según la estación meteorológica de Kennedy, la velocidad del viento promedio
en un año en ese sector es de 2,3 m/s como se muestra en la Figura 44.
57
Figura 44. Velocidad del viento Bogotá D.C.
Fuente: Informe anual de calidad del aire Bogotá RMCAB (2018)
58
6.4. Medición de la velocidad del viento
Conociendo la energía anual que producirá la turbina eólica con el dato de velocidad
promedio según el dato arrojado por el software RETscreen de 2,3 m/s (Figura 41), se
procede a realizar la medición de la velocidad del viento actual en la terraza de la sede de
Bosa el Porvenir de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por medio de un
anemómetro. Con el apoyo de la estación meteorológica del laboratorio de calidad del aire,
se obtienen datos de la velocidad del aire así como datos de la dirección del viento, esto
proporcionará una mayor aproximación sobre la velocidad del viento que hay en la sede y
sobre el funcionamiento que tendrá la turbina con respecto a la velocidad del viento presente
en el momento.
6.4.1. Velocidad del viento con anemómetro
Un día del mes de diciembre del 2019 se realizó la medición de la velocidad del viento con
el anemómetro durante 10 minutos con una temperatura promedio de 24,5 ºC en la terraza
del edificio de laboratorios, esta medición demuestra lo variable que puede ser la velocidad
del viento en tan poco tiempo, por lo que hay momentos en que la velocidad del viento sea
tan baja que la turbia eólica no podría generar la misma cantidada de energía en el genere en
un día. La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos:
Figura 45. Mediciones del viento terraza de Sede Bosa el Porvenir
Fuente: Los autores
59
Figura 46. Relación velocidad del viento Vs Hora de toma de velocidad
Fuente: Los autores
Con relación a los datos obtenidos se observa que la velocidad del viento tiende a estar entre
los 2 m/s a los 3 m/s, siendo este ultimo dato el valor promedio de la medición de 10 minutos
realizada. Del mismo modo se observa que hay momentos en el cual la velocidad del viento
tiende a elevarse como se ve en la Figura 46, en donde la velocidad ascendió a 6,1 m/s, así
mismo, se puede observar que hay momentos en donde la velocidad del viento puede llegar
a una velocidad de 1 m/s o hasta menos. Ya que estos picos de disminución de la velocidad
del viento no son muy continuos, no afectará el funcionamiento de la turbina eólica.
6.4.2. Velocidad del viento datos Laboratorio de calidad del aire
Con el apoyo de la estación meteorológica del laboratorio de calidad del aire, se obtuvieron
datos de la velocidad del viento desde el 14 de agosto del 2018 hasta el 5 de febrero del 2019.
Estos datos fueron tomados por la estación metorológica las 24 horas del día, teniendo el
promedio diario de la velocidad del viento, del mismo modo, se tendría el promedio mensual
de la velocidad del viento, el cual ofrece un mejor análisis del comportamiento del viento a
través del paso del tiempo.
6,1
1,00
1
2
3
4
5
6
7V
elo
cid
ad d
el v
ien
to m
/s
Hora
Hora vs Velocidad del viento
11:30 AM
11:31 AM
11:32 AM
11:33 AM
11:34 AM
11:35 AM
11:36 AM
11:37 AM
11:38 AM
11:39 AM
11:40 AM
60
Tabla 6
Velocidad del viento Agosto 2018 a Enero 2019.
MES AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE ENERO FEBRERO
DÍA Velocidad del viento m/s
1 - 2,367 1,988 3,275 1,554 4,125 2,121
2 - 1,892 1,950 2,354 1,70 4,058 1,754
3 - 2,963 1,688 1,575 1,763 3,004 2,158
4 - 3,371 2,329 1,488 1,888 2,579 1,979
5 - 2,450 1,863 1,346 1,529 2,108 1,038
6 - 1,846 1,658 1,617 1,475 1,850 -
7 - 2,0 1,625 1,896 2,542 1,483 -
8 - 2,846 1,829 2,079 1,871 1,621 -
9 - 3,050 2,038 1,338 1,742 1,633 -
10 - 2,133 0,810 1,350 2,354 1,504 -
11 - 2,142 - 1,696 2,550 1,713 -
12 - 1,571 - 2,346 2,471 1,683 -
13 - 1,550 - 1,654 2,30 2,075 -
14 2,429 1,608 - 1,546 1,708 2,625 -
15 3,238 1,300 - 1,817 2,613 2,329 -
16 3,046 3,292 - 1,679 2,067 2,067 -
17 3,188 2,567 2,038 2,067 1,90 2,375 -
18 3,175 2,804 1,742 1,471 2,179 2,929 -
19 3,388 2,963 1,746 1,158 2,738 3,163 -
20 3,213 3,754 1,921 2,163 1,788 3,033 -
21 3,183 3,104 1,229 1,517 2,183 2,588 -
22 3,758 2,692 1,758 1,804 3,179 3,154 -
23 2,371 2,663 1,838 1,638 2,346 4,263 -
24 2,973 3,508 1,500 1,646 2,0 4,358 -
25 3,471 2,446 1,650 1,692 2,396 2,658 -
26 4,046 2,167 1,450 1,871 2,358 2,529 -
27 3,867 1,858 3,171 1,533 3,054 1,917 -
28 2,735 2,225 2,10 1,317 2,817 1,263 -
29 1,963 3,225 1,729 1,563 2,821 1,642 -
30 2,892 2,871 1,929 1,217 3,054 1,817 -
31 2,567 - 2,579 - 3,438 1,683 -
PROMEDIO 3,083 2,508 1,489 1,724 2,270 2,446 1,810
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
Con relación a los datos de la tabla anterior, se puede observar que el mes con mayor
velocidad del viento promedio registrada es agosto con una velocidad de 3,08 m/s, así como
el mes de octubre el cual tiene una velocidad promedio de 1,489 m/s siendo esta la velocidad
más baja de los datos obtenidos por el Laboratorio de Calidad del aire. Del mismo modo se
61
puede observar que la mayoría de los datos obtenidos tienen una velocidad del viento que
abarcan los 2,0 m/s.
A continuación se verán los graficos de la velocidad del viento de los meses registrados con
el fin de realizar un análisis sobre la variación de la velocidad. Con ayuda del Software
WRPLOT se puede realizar la rosa de los vientos con los datos obtenidos de la estación
meteorológica del Laboratorio de Calidad del Aire, esto para analizar desde que dirección
sopla el viento y la frecuencia de vientos en esa dirección.
6.4.2.1. Velocidad del viento del mes de Agosto
Figura 47. Velocidad del viento mes de Agosto
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
Con respecto al mes de agosto se puede observar que la mayoría de sus datos rondan entre
los 2,0 y 3,0 m/s, siendo una velocidad adecuada para el funcionamiento de alguna de la
turbina eólica del listado realizado para la selección. Desde el día 23 al día 26 se nota un
4,046
1,963
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Vel
oci
dad
del
vie
nto
m/s
Días
Velocidad del viento mes de Agosto
62
aumento significante de la velocidad del viento llegando hasta un promedio diario de 4,046
m/s, velocidad por encima del dato necesario para hacer funcionar la turbina eólica.
Figura 48. Rosa de los vientos Agosto
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
Con ayuda del software WRPLOT se puede observar en la rosa de los vientos la dirección
del viento de los datos del mes de agosto, en donde predominan vientos provenientes del
cuadrante del Noreste con velocidades de 2,0 m/s a 3,0 m/s, del mismo modo se observan
vientos por debajo de los 2,0 m/s que provienen del Suroeste.
63
6.4.2.2. Velocidad del viento del mes de Septiembre
Figura 49. Velocidad del viento mes de Septiembre
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
En el mes de septiembre se tienen datos más variales de la velocidad del viento, datos que
varian entre 1,30 m/s siendo este el dato más bajo de septiembre, hasta velocidades que llegan
a los 3,75 m/s siendo este la velocidad del viento más alta registrada en este mes. Durante
este mes la velocidad del viento presenta variabilidades en sus datos, es decir, los datos no
son constantes, la velocidad aumenta y disminuye sin orden alguno.
Figura 50. Rosa de los vientos Septiembre
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
1,30
3,75
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Vel
oci
dad
del
vie
nto
m/s
Días
Velocidad del viento mes de Septiembre
64
Podemos observar que los vientos en el mes de septiembre tienen diferentes direcciones de
procedencia, la mayoría de los datos de velocidad del viento provienen del Noreste con
velocidad de entre 2,0 m/s a 3,75 m/s, otros pocos datos con la misma velocidad provienen
del Sureste, teniendo de igual forma vientos provenientes del Suroeste con velocidades por
debajo de los 2,0 m/s.
6.4.2.3. Velocidad del viento del mes de Octubre
Figura 51. Velocidad del viento mes de Octubre
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
Durante el mes de octubre, se presentan velocidades más bajas llegando a una velocidad de
0,81 m/s, velocidad que se encuentra por debajo de la velocidad necesaria para el
funcionamiento de la turbina eólica, sin embargo, en el resto del mes se presentan velocidades
constantes desde 1,5 m/s hasta 2,5 m/s, teniendo un aumento significativo de la velocidad en
el día 27 donde la velocidad aumentó hasta llegar a un 3,17 m/s.
0,81
3,171
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Vel
oci
dad
del
vie
nto
m/s
Días
Velocidad del viento mes de Octubre
65
Figura 52. Rosa de los vientos Octubre
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
A diferencia de los meses anteriores, en el mes de octubre se presentan diferentes direcciones
del viento, se puede precenciar que el viento tiene diferentes direcciones de procedencia, la
mayoría de estos se presentan desde el Suroeste con velocidades bajas que no superan los 2,5
m/s, seguido del Sureste donde se encuentran vientos con velocidades superiores a los 2,0
m/s, pasando por el Noroeste en el cual también se presentan vientos con velocidades por
debajo de los 2,5 m/s y terminando por el Noreste donde hay poca presencia de vientos con
respecto a las otras direcciones.
66
6.4.2.4. Velocidad del viento del mes de Noviembre
Figura 53. Velocidad del viento mes de Noviembre
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
El mes de noviembre inicio con una velocidad alta de 3,275 m/s el cual fue disminuyendo
mientras pasaban los días hasta que tuvo una velocidad variable entre 1,1 a 2,2 m/s, en este
mes la mayoría de los datos de velocidad no sobre pasan los 2,0 m/s, por lo que la turbina
eólica no trabajará con una eficiencia del 100%. De igual forma, los vientos nunca son los
mismos, por lo que en el próximo mes de noviembre puede que el viento actúe de otra forma
y sus velocidades sean diferentes.
3,275
1,158
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Vel
oci
dad
del
vie
nto
m/S
Días
Velocidad del viento mes de Noviembre
67
Figura 54. Rosa de los vientos Noviembre
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
Al igual que en el mes de octubre, el mes de noviembre presenta vientos provenientes de
todas las direcciones, mas especificamente, la mayoría de los vientos de noviembre con
velocidades inferiores a 2,0 m/s provienen del Suroeste, mientras que los vientos
provenientes del Sureste son vientos cuyas velocidades superan los 2,0 m/s.
6.4.2.5. Velocidad del viento del mes de Diciembre
Figura 55. Velocidad del viento Diciembre
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
1,475
3,438
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Vel
oci
dad
del
vie
nto
m/s
Días
Velocidad del viento mes de Diciembre
68
Con relación a la grafica anterior, se puede observar que la velocidad de los vientos del mes
de diciembre va aumentando iniciando con una velocidad inicial del 1,5 m/s en el día 1 y
terminando con una velocidad de 3,44 m/s en el 31 de diciembre. Con un promedio mensual
de la velocidad de 2,2 m/s, en el mes de diciembre la turbina eólica estaría funcionando
adecuadamente al momento de generar energía.
Figura 56. Rosa de los vientos Diciembre
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
La dirección del viento en el mes de diciembre predomina en el Suroeste con velocidades por
debajo de los 2,0 m/s, mientras que en el Noreste se encuentran velocidades en el rango de
2,0 m/s a 3,4 m/s. El resto de los datos de velocidades se encuentran en las direcciones del
Sureste y el Noroeste, pero en menor proporción con respecto a las otras direcciones, según
esto, al aumentar la velocidad del viento durante el mes, la dirección del viento cambia.
69
6.4.2.6. Velocidad del viento del mes de Enero
Figura 57. Velocidad del viento mes de Enero
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
En la figura anterior se puede observar que la velocidad del viento en enero aumenta y
disminuye mientras pasan los días, iniciando el mes con una velocidad de 4,1 m/s, a partir
del segundo día la velocidad disminuye hasta que en el 13 de enero la velocidad empieza a
aumentar hasta llegar al 24 de enero donde nuevamente la velocidad disminuye hasta alcanzar
un valor de 1,26 m/s en el día 28 y a partir del 29 de enero la velocidad vuelve a aumentar.
Figura 58. Rosa de los vientos Enero
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
4,358
1,263
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Vel
oci
dad
del
vie
nto
m/s
Días
Velocidad del viento mes de Enero
70
En el mes de enero, la dirección predominante del viento es el Noreste donde se encuentran
datos de velocidad que superan los 2,0 m/s. Al igual que los meses anteriores, en el
cuandrante del Suroeste se encuentran los datos de las velocidades menores a los 2,0 m/s y
al aumentar la velocidad, la dirección del viento tiende a cambiar de cuadrante.
6.4.2.7. Velocidad del viento del mes de Febrero
Figura 59. Velocidad del viento mes de Febrero
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
Con base en que la estación meteorológica del laboratorio de calidad del aire de la Sede el
Porvenir solo tomó datos de los 5 primeros días del mes de febrero, no se puede realizar un
análisis completo al mes, pero de igual forma se puede analizar que la velocidad del viento
en este mes es variable, por lo que mientras un día la velocidad está por encima de los 2,0
m/s, al siguiente día la velocidad disminuye y posteriormente vuelve a aumentar teniendo
como un valor máximo de 2,15 m/s y alcanzando una velocidad baja de 1,038 m/s.
2,158
1,038
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
1 2 3 4 5Vel
oci
dad
del
vie
nto
m/s
Días
Velocidad del viento mes de Febrero
71
Figura 60. Rosa de los vientos Febrero
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
Con los pocos valores obtenidos del mes de febrero, se puede observar que en el cuadrante
del Sureste se encuentran velocidades superiores a los 2,0 m/s, mientras que en el cuadrante
del Suroeste se encuentran velocidades del viento inferiores a los 2,0 m/s. Si se tuvieran los
datos de todo el mes, la dirección del viento sería diferente y podría estar enfocada en otro
cuadrante.
En la siguiente tabla se pueden observar los datos promedios de la velocidad del viento de
los meses los cuales fueron análizados, así como el promedio total de la velocidad del viento:
Tabla 7
Promedio mensual y total de la velocidad del viento por meses.
MES AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE ENERO FEBRERO
Velocidad m/s
3,083 2,508 1,489 1,724 2,270 2,446 1,810
PROM 2,190
Fuente: Laboratorio de calidad del aire Universidad Distrital
72
7. RESULTADOS
7.1. Selección de la turbina eólica
Para seleccionar la turbina eólica de baja potencia se debe tener un cuenta la velocidad del
viento presente en el sitio de trabajo, en este caso se trata de una velocidad de 2,3 m/s (Figura
41), de acuerdo a ese dato se buscarán turbinas que funcionen con esa velocidad del viento.
Primero se debe especificar que tipo de turbina según su eje se elegirá de acuerdo a sus
ventajas y desventajas, se observará que tipo de turbina es más eficiente y adecuada para el
desarrollo de la propuesta como se observan en las siguientes tablas:
Tabla 8
Ventajas y desventajas de turbinas de eje horizontal
Turbina eólica de eje horizontal
Ventajas Desventajas
Tienen mejor rendimiento que las
turbinas de eje vertical.
Poseen autoarranque con bajas
velocidades.
La altura de su torre le permite el
acceso a velocidades mayores del
viento.
El diseño de las palas
perpendiculares al viento le
permiten aprovechar el máximo del
viento.
Debido a la altura de su torre puede
causar problemas con las aves.
Su mecanismo se encuentra en lo
alto de la torre lo que causa
problemas al momento del
mantenimiento.
Algunas turbinas de este tipo suelen
producir mucho ruido.
Fuente: Los autores
73
Tabla 9
Ventajas y desventajas de turbinas de eje vertical
Turbina eólica de eje vertical
Ventajas Desventajas
No necesitan orientarse con respecto
a la dirección del viento.
Se ubican a la altura del suelo sin
necesidad de torres.
Trabajan con bajas velocidades del
viento.
No generan ruido.
Son de bajo costo.
Poseen bajo rendimiento.
Su velocidad de giro es escasa.
El tipo Darrieus necesita de
alambres para mantener estabilidad
de la turbina.
Al trabajar con vientos bajos no es
posible de soportar vientos fuertes.
Tiene eficiencia más baja que la del
eje horizontal.
Necesitan de un motor para arrancar.
No aprevechan los vientos fuertes a
mayor altura. Fuente: Los autores
La velocidad del viento promedio de la localidad de bosa es baja con un valor de 2,3 m/s, por
lo tanto con esta velocidad, el tipo de turbina que podría funcionar sería de eje horizontal ya
que puede arrancar y funcionar con velocidades bajas, a diferencia de la turbina de eje vertical
la cual necesita de un motor para poder arrancar la turbina.
Para poder determinar la cantidad de energía disponible del viento se necesita conocer el dato
del diámetro del rotor de la turbina, por lo tanto primero se debe seleccionar la turbina que
se usará en el proceso. Se seleccionarán dos turbinas diferentes con el fin de realizar una
comparación de la cantidad de energía que cada una pueda generar y las cargas que puedan
alimentar.
Se analizaron diferentes turbinas eólicas y se llegó a la conclusión de seleccionar dos
turbinas, la primera será una turbina de 400 W que funciona con una velocidad del viento de
2,0 m/s, la otra turbina seleccionada con una potencia de 1500 W, ya que también puede
funcionar con una velocidad del viento de 2,0 m/s, no se seleccionaron turbinas de 2000 W
en adelante debido a que necesitan velocidades del viento superiores a la que se encuentra en
la sede de Bosa el Porvenir y por lo tanto no podrían generar energía suficiente.
A continuación se muestran las turbinas seleccioandas:
74
7.1.1. Generador Eolico Vevor
Figura 61. Turbina eólica Vevor
Fuente: Mercadolibre (s.f.)
Turbina fabricada con PBT (Tereftalato de polibutileno), contiene 3 palas hechas de fibra de
vidrio reforzada, no produce vibración en el momento de su funcionamiento, tiene un uso
adecuado para vientos ligeros y alto rendimiento. Con un precio promedio de $ 1’450.000.
Tabla 10
Características Trubina Vevor.
CARACTERISTICAS
Potencia nominal 400 Watts
Potencia maxima 410 Watts
Velocidad de arranque 2 m/s
Velocidad nominal 13 m/s
Diametro del rotor 1,2 m
Fuente: Mercadolibre (s.f.)
75
7.1.2. Turbina eólica DMWT3.2-1.5K
Figura 62. Turbina DMWT3.2-1.5K
Fuente: Alibaba (s.f.)
Turbina fabricada por JINAN DEMING POWER EQUIPMENT CO., LTD., cuenta con una
potencia de 1500 watts, esta turbina puede trabajar con vientos desde los 2 m/s hasta los 40
m/s, con unas palas de fibra de vidrio reforzado, material que genera alta eficiencia y larga
vida útil, posee un sistema de frenado de control electromagnético, el cual se acciona cuando
la velocidad del viento es superior a la soportada por la turbina. Diseñada para una vida útil
de 20 años. Su precio minimo es de 400 dolares.
Tabla 11
Características turbina DMWT3.2-1.5K
CARACTERISTICAS
Potencia nominal 1500 Watts
Potencia pico 2250 Watts
Velocidad de arranque 2 m/s
Velocidad nominal 9 m/s
Velocidad segura 40 m/s
Diametro del rotor 3,2 m
Voltaje de funcionamiento 220v
Peso 57 Kg
Fuente: Alibaba (s.f.)
76
7.2. Cálculo de potencia del viento
Se procede a realizar los cálculos de la potencia del viento para determinar cuanta energía se
podría aprovechar del viento con respecto al dato de la velocidad del viento y el diámetro del
rotor de las diferentes turbinas eólicas elegidas: Turbina Vevor 400W (Figura 61) y la
Turbina de 1500 W DMWT3.2-1.5K (Figura 62), esto con el fin de realizar una comparación
de funcionamiento entre ambas turbinas y determinar cual turbina es mas factible en el
proyecto.
Con relación al valor de la velocidad del viento presente en la facultad de Bosa como lo
muestran los datos obtenidos con ayuda del software RETScreen (Figura 41), el cual es de
2,3 m/s, se podrá conocer cuanta potencia hay disponible en el viento con respecto a esa
velocidad, la cual puede ser calculada con la siguiente ecuación:
Ecuación 1
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =1
2× 𝜌 × 𝐴 × 𝑣3
Siendo:
𝜌: Densidad del aire
V: Velocidad del viento
A: Área del rotor
7.2.1. Densidad del aire
La densidad del aire tiene un valor promedio de 1,225 Kg/m3 al nivel del mar, para tener un
valor mas exacto, se calculará la densidad del aire con la siguiente formula de acuerdo a la
ley de los gases:
Ecuación 2
𝜌 =𝑃
𝑅 × 𝑇
Donde:
77
𝜌: Densidad del aire
𝑅: Constante de los gases ideales
𝑇: Temperatura (ºK)
𝑃: Presión atmosférica (Pa)
Por medio del software RETScreen se obtienen los datos de la temperatura y presión de la
localidad de bosa por el como se ve en la Figura 41, teniendo como valor promedio anual de
la temperatura 13,3 ºC y un valor promedio anual de la presión de 75,7 Kpa.
Ya que se necesita la temperatura en ºK se procede a convertir:
°𝐾 = 13,3 + 273,15
°𝐾 = 286,45
Conociendo que 1 Kpa equivale a 1000 Pa, se procede a convertir la presión atmosférica
dando como resultado 75.700 Pa.
La constante del aire es de 286,9 𝐽 (𝐾𝑔. °𝐾)⁄
Con todos los valores listos se procede a calcular la densidad del aire con la Ecuación 2
previamente mostrada:
𝜌 =𝑃
𝑅 × 𝑇
Remplazando valores:
𝜌 =75.700
(286,9 × 286,45)
𝜌 = 0,9211 𝐾𝑔/𝑚3
7.2.2. Área de barrido del rotor
El área de barrido del rotor es el área circular que abarcan las aspas de la turbina donde pasa
el aire, esta se calcula con la siguiente formula:
78
Ecuación 3
𝐴 = 𝜋 × (𝐷
2)
2
Donde:
A: área de barrido del rotor
D: Diametro del rotor
7.2.3. Potencia del viento Turbina Vevor 400 W
Sabiendo los datos necesarios para calcular la potencia del viento, se procede a desarrollar el
cálculo con los datos de la Turbina eólica Vevor de 400 W la cual tiene un diámetro del rotor
de 1,2 metros.
Desarrollando la Ecuación 1 mostrada anteriormente:
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =1
2× 𝜌 × 𝐴 × 𝑣3
El dato de densidad del aire ya fue calculado, por lo que el único dato faltante es el área del
rotor el cual cambia dependiendo de la turbina:
𝐴 = 𝜋 × (𝐷
2)
2
Reemplazando los valores:
𝐴 = 𝜋 × (1,2
2)
2
𝐴 = 1,131 𝑚2
Teniendo el cálculo completo se procede a reemplazar los datos en la ecuación principal
(Ecuación 1)
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =1
2× 𝜌 × 𝐴 × 𝑣3
79
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =1
2× 0,9211 × 1,131 × (2,3)3
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 6,34 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠
Con la velocidad del viento de 2,3 m/s y el diámetro de la turbina vevor de 1,2 metros, la
potencia disponible en la falcultad de Bosa es de 6,34 Watts, la cual sería la máxima potencia
que se podría extraer del viento siempre y cuando se pudiera convertir toda su energía, lo
cual es imposible ya que el viento que pasa a través del rotor se frena y este sale con una
velocidad menor.
Por lo tanto no es posible aprovechar el 100% de la potencia del viento, tal como lo describe
la ley de Betz, la cual dice que solo se puede aprovechar el 59,3% de la potencia del viento
debido a que la velocidad del viento disminuye mientras pasa por el rotor.
Teniedo en cuenta este dato, se procede a calcular cual es la potencia máxima que puede ser
extraida del viento al multiplicar el valor de la potencia del viento calculada anteriormente
con el valor del limite de Betz:
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 6,34 × 0,593
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 3,76 𝑊
Este valor sería el correspondiente a la energía que se puede aprovechar con respecto a los
datos del viento presentes en la facultad de Bosa.
7.2.4. Potencia del viento Turbina 1500 W - DMWT3.2-1.5K
Teniendo en cuenta el valor obtenido con la turbina de 400 W, se calculará la potencia del
viento con la turbina de 1500 W la cual tiene un diámetro de 3,2 metros. Se repite el proceso
del cálculo con la Ecuación 1:
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =1
2× 𝜌 × 𝐴 × 𝑣3
80
Puesto que el único valor que cambia es el del área del rotor, se procede a calcularlo con la
Ecuación 3 y con el dato del diámetro del rotor de esta turbina el cual es de 3,2 metros:
𝐴 = 𝜋 × (𝐷
2)
2
Reemplazando valores:
𝐴 = 𝜋 × (3,2
2)
2
𝐴 = 8,04 𝑚2
Teniendo el dato anterior, se realizará el calculo de la potencia disponible del viento
reemplazando los datos en la Ecuación 1:
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =1
2× 0,9211 × 8,04 × (2,3)3
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 45,05 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠
Este dato corresponde a la potencia disponible del viento y la potencia que puede generar la
turbina con el diámetro correspondiente, pero como se explicó anteriormente, no se puede
aprovechar el 100% de la potencia del viento, por lo que el resultado se debe multiplicar por
el 59,3% que es el porcentaje de la potencia que puede ser aprovechada.
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 45,05 × 0,593
𝑃𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 26,71 𝑊
Este resultado muestra la cantidad de potencia que se puede aprovechar con las características
de esta turbina así como la velocidad del viento en el sitio de estudio.
81
7.3. Resultado final
Después de realizar los respectivos cálculos con las turbinas seleccionadas, se puede
comprobar la diferencia que hay entre cada turbina con respecto a la potencia aprovechable
del viento de acuerdo al diámetro del rotor. Teniendo los resultados, se determinará que
cargas del laboratorio podrían alimentar las turbinas seleccionadas y verificar cual de las dos
es más eficiente con respecto a las cargas que alimenten, la energía que genere y el valor
económico.
7.3.1. Cargas a alimentar
El laboratorio de servicios públicos de la sede de Bosa contiene muchos instrumentos y
aparatos que son fundamentales a la hora de realizar las practicas de laboratorio de las
diferentes clases. Las cargas tienen su respectiva potencia con la que funcionan
adecuadamente, en el laboratorio hay todo tipo de cargas, unas que requieren más potencia
que otras, por lo que se determinarán que cargas serían las adecuadas para que funcionen con
las turbinas seleccionadas.
Con los resultados obtenidos anteriormente de la potencia aprovechable del viento con las
dos turbinas seleccionadas, se realizará un chequeo de cuales cargas podrían ser alimentadas
por las turbinas que fueron seleccionadas, teniendo en cuenta que la turbina VEVOR de 400
Watts (Figura 61) puede llegar a generar solo 3,76 Watts y que la turbina DMWT de 1.500
Watts (Figura 62) puede generar 26,71 Watts.
De acuerdo a lo anterior, la siguiente tabla muestra las cargas que podrían ser alimentadas
por las turbinas:
82
Tabla 12
Posibles cargas a alimentar
CARGAS CARACTERISTICAS
Gramera
3,6 W
12 V
0,3 Amp
Microscopio
20 W
6 V
3,33 Amp
50/60 Hz
Fuente: Laboratorio de servicios públicos
Como se puede observar, solo dos cargas de todo el laboratorio pueden ser alimentadas por
las turbinas seleccionadas, mientras que la turbina Vevor de 400 Watts (Figura 61) solo
podría alimentar la gramera, la turbina DMWT de 1500 Watts (Figura 62) podría alimentar
tanto la gramera como el microscopio, esto es debido al tamaño del diametro del rotor, ya
que mientras más grande sea el diámetro del rotor, más área de barrido hay, más viento puede
recoger y por lo tanto mas potencia puede generar.
Figura 63. Gramera
Fuente: Los autores
Figura 64. Microscopio
Fuente: Los autores
83
Dado este resultado, este proyecto es considerado viable, debido a que aunque las turbinas
no puedan generar mucha energía ni alimentar más cargas de las esperadas, si pueden
funcionar con el viento presente en Bosa y por lo tanto pueden alimentar al menos una carga
del laboratorio.
84
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Terminados los resultados, se concluye que si es viable este proyecto, ya sea con una turbina
de 400 Watts o una de 1.500 Watts se pueden alimentar por lo menos 2 cargas del laboratorio
con la velocidad del viento de 2,3 m/s presente en la facultad del Bosa. Si la velocidad del
viento alcanzara un valor de 9 m/s las turbinas podrían funcionar mejor, generar más energía
y por lo tanto alimentar más cargas del laboratorio, esto ya que las turbinas necesitan de un
viento superior a ese valor para generar el máximo de potencia.
Debido a lo mencionado anteriormente, se llega a la conclusión de que la velocidad del viento
presente en la facultad de bosa es suficiente para poder alimentar al menos 2 cargas del
laboratorio. Para justificar el resultado del presente proyecto, se realizó una búsqueda de
trabajos de grado similares a este para comparar y exponer que la velocidad del viento en
varias zonas de Bogotá si es adecuada para implementar turbinas eólicas, como se muestra
en las siguientes tablas.
Tabla 13
Diseño e implementación de emulador de una turbina eólica mediante el acople de un motor y generador
Fuente: RIUD
NOMBRE DE TESIS AUTORES UNIVERSIDAD
DISEÑO E
IMPLEMENTACION DE
EMULADOR DE UNA
TURBINA EOLICA
MEDIANTE EL ACOPLE DE
UN MOTOR Y
GENERADOR
DAVID FELIPE
BAJONERO SANDOVAL
JEYSON EDUARDO
SANABRIA VARGAS
UNIVERSIDAD
DISTRITAL
FRANCISCO JOSE
DE CALDAS
Se realizo un perfil de viento en Bogotá y en la Guajira, donde se obtuvieron velocidades
promedio por cada hora del día, en el caso de Bogotá se registraron los datos de la
Universidad los Libertadores y ninguno de este registro mayor a 3 m/s, por lo tanto, los
vientos no son lo suficientemente fuertes para poder generar energía eléctrica.
85
Tabla 14 Diseño y contrucción de una prototipo de turbina eólica de 60w, para suministo eléctrico de zonas urbanas
NOMBRE DE TESIS AUTORES UNIVERSIDAD
DISEÑO Y
CONSTRUCCIÓN DE UN
PROTOTIPO DE TURBINA
EOLICA DE 60 W, PARA
SUMINISTRO ELECTRICO
DE ZONAS URBANAS
DANIEL ENRIQUE LUGO
GARCIA
LAURA DANIELA
BEJARANO ACERO
UNIVERSIDAD
DISTRITAL
FRANCISCO JOSE
DE CALDAS
Con la velocidad promedio de la facultad tecnológica (3,5 m/s) no es posible implementar
un prototipo que genere dicha potencia (60 W) debido a que la velocidad es muy baja para
las dimensiones del prototipo de turbina eolica, a demas hay ciertos horarios del dia en que
la velocidad baja a 1 m/s practicamente nada, la velocidad es un factor clave, para esa
velocidad se tendria que implementar un prototipo muy grande, el cual dificultaría la
instalacion, y la inversion economica no seria muy rentable para producir tan poco. Fuente: RIUD
Tabla 15 Análisis aerodinámico de una microturbina eólica de eje vertical para la generación de energía eléctrica en
una zona urbana de Bogotá, Colombia
NOMBRE DE TESIS AUTORES UNIVERSIDAD
ANÁLISIS AERODINÁMICO
DE UNA MICROTURBINA
EÓLICA DE EJE VERTICAL
PARA LA GENERACIÓN DE
ENERGÍA ELÉCTRICA EN
UNA ZONA URBANA DE
BOGOTÁ, COLOMBIA
EDWIN ALFONSO
GUAUQUE PESCA
GERMAN FELIPE
TORRES ARDILA
UNIVERSIDAD LIBRE
DE COLOMBIA
Los autores realizaron un análisis de la velocidad del viento en la localidad de Fontibon para
determinar cuanta energía eléctrica se podría llegar a generar, por medio de investigación y
cálculos, obtuvieron un valor promedio de 3,07m/s, a partir de la obtención de este dato,
realizaron una selección de turbina eólica que funcionara de acuerdo a los datos del viento,
decidieron seleccionar una turbina eólica de eje vertical de 500W con un diámetro de 1,25m,
después de realizar análisis computarizados con datos característicos de la turbina del viento
seleccionada y la velocidad del viento promedio, obtuvieron como resultado una potencia
disponible de 120w/h la cual serviría para alimentar 2 bombillos de 60 W.
Fuente: RIU
86
Tabla 16 Diseño de un sistema de generación eólica para la iluminación exterior con tecnología LED, de un predio
comercial en altos de Cazucá-Cundinamarca
NOMBRE DE TESIS AUTORES UNIVERSIDAD
DISEÑO DE UN SISTEMA DE
GENERACIÓN EÓLICA
PARA LA ILUMINACIÓN
EXTERIOR CON
TECNOLOGÍA LED, DE UN
PREDIO COMERCIAL EN
ALTOS DE CAZUCÁ-
CUNDINAMARCA
LENIN FABIÁN
COCA SEMA
NÉSTOR FABIÁN
FERREIRA
UNIVERSIDAD
DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE
CALDAS
Debido a una falta de iluminación exterior en un predio de Altos de Cazucá, los autores de
esta tesis diseñaron un sistema eólico el cual pudiera alimentar 7 luminarias cada una de
10W, por medio de una turbina eólica de baja potencia. Después de analizar las
características del viento en esa zona, calcularon una velocidad del viento promedio de
6,81m/s, a partir de ese dato realizaron una selección de la turbina eólica para determinar
cuál era la adecuada, seleccionaron una turbina eólica de 400W con un diámetro del rotor
de 1,5 m. Teniendo en cuenta los datos anteriores, realizaron cálculos para determinar cuál
era la potencia disponible del viento y cuanta potencia podrían aprovechar, el resultado fue
una potencia aprovechable de 110,35W. Su investigación tuvo un resultado positivo ya que
pretendían alimentar 7 luminarias con una potencia total de 70W y gracias a la velocidad
del viento así como la turbina seleccionada, se puede generar y aprovechar una potencia de
110,35W. Fuente: RIUD
Como se puede observar en las tesis anteriormente descritas, las que trabajan con velocidades
del viento en cualquier sector de Bogotá, cumplen con parte de los objetivos que se plantean
debido a que la velocidad del viento es baja, de igual forma obtienen un resultado positivo
en su investigación. De las tesis mencionadas, la ultima (Tabla 16) realizada en Altos de
Cazucá, fue la única que pudo cumplir con sus objetivos ya que tenían una velocidad del
viento adecuada para desarrollar los objetivos planteados.
De esta forma la velocidad del viento en sectores de Bogotá no es suficiente para que turbinas
eólicas trabajen a su máxima potencia, pero si es suficiente para generar algo de energía y
alimentar cargas específicas como bombillos o en este caso una gramera y un microscopio,
con esto no se dice que la energía eólica en Bogotá no sea rentable, si es rentable siempre y
cuando se alimenten cargas especificas y de poca potencia.
87
9. CONCLUSIONES
Según los datos de la velocidad del viento, SI es viable ubicar una turbina eólica de baja
potencia en la terraza del edificio de laboratorios de la universidad distrital Sede Bosa el
porvenir, ya que se puede alimentar por lo menos dos cargas del laboratorio aunque la
velocidad del viento no sea demasiado alta.
Aparte de usar las turbinas eólicas para alimentar cargas del laboratorio, también podrían ser
usadas para iluminación exterior o interior de la universidad, siempre y cuando la turbina sea
de 1500 Watts ya que con la velocidad del viento de 2,3 m/s puede generar 26,71 Watts para
alimentar hasta 3 bombillos de 7 Watts.
Aunque las turbinas seleccionadas sean capaces de funcionar con 2 m/s, no podrán generar
la potencia máxima de cada turbina ya que necesitan una velocidad superior a los 9 m/s, en
el caso de la turbina VEVOR de 400 Watts, necesita una velocidad del viento de 13 m/s para
generar 410 Watts, mientras que la turbina DMWT 3,2 de 1500 Watts necesita una velocidad
del viento de 9 m/s para poder generar 1500 Watts.
Analizando la velocidad del viento presente en la sede de Bosa gracias a los datos de la
estación meteorológica del laboratorio de calidad del aire la cual es de 2,19 m/s, tambien se
podría usar para dar inicio al funcionamiento de las turbinas seleccionadas ya que estas
inician su funcionamiento con una velocidad de 2,0 m/s.
Alimentar más cargas aparte de las que fueron seleccionadas, sería complicado con una sola
turbina por la velocidad del viento tan baja, por lo tanto se podría optar por utilizar más de
dos turbinas en conjunto creando así un pequeño parque eólico en la terraza del edificio de
laboratorios.
88
Las mediciones de la velocidad del viento hechas por los autores de este proyecto dio una
variabilidad respecto al tiempo de muestra, sin embargo hay picos altos, los cuales podrán
almacenar la energía en la bateria, mientras en los picos bajos, la bateria regulará el sistema
y la energía almacenada podrá ser continua, siempre y cuando haya una turbina que funcione
adecuadamente con la velocidad del viento presente.
A lo largo del documento se analizaron valores de la velocidad del viento de 3 formas
diferentes, la primera, se analizó por medio del Software RETScreen el cual arrojó un valor
de una velocidad de 2,3 m/s al año, la segunda forma fue a través del anemómetro tomando
datos directamente en la terraza del edificio de laboratorio en 10 minutos, dando un valor de
3,0 m/s, mientras que la tercera forma de análisis fue mediante la ayuda del sistema
meteorológico del laboratorio de calidad del aire, donde con valores de 7 meses se obtuvo un
promedio de una velocidad de 2,19 m/s. Independientemente del tipo de forma en que se
obtengan los datos de velocidad del viento, se puede observar que la velocidad del viento no
bajará de los 2,0 m/s.
89
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