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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS

CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM

MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

Programa de investigación: Energías Renovables

Línea de investigación: Diseño y construcción del sistema de captación de un aerogenerador Presentado por: Mario Alfonso Arellano Vilchez

Huancayo-05 de enero de 2012

ÍNDICE ÍNDICE ........................................................................................................................................................ 2 1 ANTECEDENTES ............................................................................................................................... 3 2 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................................. 4 3 OBJETIVOS Y METAS ...................................................................................................................... 5 3.1 Objetivo general ............................................................................................................................. 5

4

3.2

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

3.3

Metas .............................................................................................................................................. 5

AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES ....................................................................................... 5 4.1 Políticas de investigación ............................................................................................................... 8 4.2

Programa de investigación ............................................................................................................. 8

4.3

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

4.3.1 Denominación..................................................................................................................... 10 4.3.2 Objetivo .............................................................................................................................. 10 4.3.3 Problemas ........................................................................................................................... 10 5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ............................................................................................. 11 6 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO .......................................................................................... 11 7 SOPORTE .......................................................................................................................................... 12 7.1 Capital humano ............................................................................................................................ 12 7.2

Materiales, equipamiento e instrumentos ..................................................................................... 14

8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN .......................................................................................... 14 9 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA .................................................................................................... 16 ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS ............................................................................................ 17

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1 ANTECEDENTES En la universidad de Chile en la facultad de ciencias físicas y matemáticas del departamento de ingeniería eléctrica se desarrollo el trabajo de tesis denominado “Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de eje vertical” elaborado por “Antezana Núñez, Juan Cristóbal”, quien investigó para titularse como ingeniero Civil Electricista el año 2004, y de cuyo trabajo consiste en lo siguiente: “Diseño e implementación de un prototipo de aerogenerador de eje vertical para abastecer de energía eléctrica a pequeños consumos en zonas aisladas de la red”. Tuvo como propósito de aprovechar el recurso eólico, práctico poco habitual considerando el potencial energético que posee Chile. Así mismo en la Universidad de Zaragoza España en la tesis “Diseño y Construcción de un aerogenerador de 100 W para su aplicación de zonas indígenas de México”, cuyo autor es: “Pérez Ramiro Rodrigo” quien investigó para titularse como Master Europeo en energías renovables en el ano 2006, de cuyo trabajo tuvo como objetivo principal “desarrollar la tecnología de diseño, fabricación e instalación de aerogeneradores pequeños para el cargado de baterías, para el desarrollo de este generador se tomó como base el diseño realizado por ITDG Perú y HUGG Piggot para lo cual fue necesario evaluar también las condiciones energéticas eólicas del lugar con el fin de conocer los parámetros característicos del viento”.

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2 JUSTIFICACIÓN El presente trabajo se enfocará a sectores de la población de escasos recursos, que se ubican en zonas aisladas del Valle del Mantaro con potencial eólico y que no pueden acceder fácilmente a la energía eléctrica; ya sea por ubicarse en un entorno de difícil acceso y condiciones extremas, o por su situación socioeconómica; por ello, la solución propuesta en el presente trabajo de investigación va dirigido principalmente a suplir las necesidades de esos sectores de la región, que por su situación geográfica, económica y/o social, no tienen acceso a la energía eléctrica suficiente para un adecuado desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida. Es importante resaltar también el hecho de que la creciente demanda de energía eléctrica, cada vez más indispensable en todas las actividades humanas, hace necesario buscar nuevas formas de satisfacerla, con la desventaja de que actualmente gran parte de esta generación resulta ineficiente, pues no se toman en cuenta factores ambientales necesarios para el desarrollo humano, por lo cual, la potenciación de energías renovables que no afecten el entorno es crucial en la generación energética en el presente siglo. Es por dichos motivos que se plantea realizar un proyecto que permita soluciones prácticas de acorde a la zona, aprovechar los vientos locales, por medio del diseño de “aerogeneradores de baja potencia”, que buscan en primera instancia apoyar a sectores desfavorecidos de la región central. 4

3 OBJETIVOS Y METAS 3.1 Objetivo general Obtener energía eléctrica de baja potencia en zonas aisladas del valle del Mantaro mediante un sistema de generación eólica.

3.2 Objetivos específicos  Estudiar el potencial eólico de las zonas aisladas del valle del Mantaro.  Diseñar los componentes del sistema de generación eólica.  Aplicar el sistema de generación eólica de baja potencia en una zona aislada del valle del Mantaro.

3.3 Metas Diseñar y construir un prototipo de un sistema de generación eólica de baja potencia para suministrar energía eléctrica a una zona aislada del valle del Mantaro.

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

Energía Cinética del viento

SISTEMA DE GENERACIÓN EÓLICA

Energía eléctrica

Variable Independiente

Variable Dependiente

Figura. 4.1: Caja negra del sistema de generación eólico

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b) Matriz de funciones Tabla 1.1: Elementos y funciones del sistema de generación eólica ELEMENTO

FUNCIÓN Convierte la fuerza del viento en el par necesario Rotor para generar la potencia útil. Palas Captar la energía dinámica absoluta para convertir en un movimiento rotacional. Bujes Sirve de acoplamiento entre la pala y el rotor Árbol de baja Transfiere el par torsor desde el rotor al resto del velocidad tren de potencia. Acoplamiento Tiene como función conectar los árboles Freno Reduce las revoluciones del rotor cuando es necesario. Actúa cuando la velocidad del viento es demasiado alta, y existe el riesgo de rotura del rotor o las aspas. Está gobernado por el controlador. Caja multiplicadora Tiene como función adaptar la baja velocidad del de engranajes eje del rotor a las mayores velocidades de operación del generador eléctrico. Árbol de alta Tramsitir el par del rotor para una velocidad de velocidad rotación alta del generador. Generador Produce energía eléctrica en el estator, cuando la asíncrono velocidad de giro de su rotor, impulsado por el eje de alta, es superior a la velocidad de giro del campo magnético de excitación creado por el estator. Generador síncrono Convierte la energía mecánica de rotación en energía eléctrica. Motoreductor Se encarga hacer girar la corona de orientación según la dirección del viento. Este mecanismo está gobernado en todo momento por el controlador. Veleta Detecta la dirección en la que sopla el viento. Este aparato la manda los datos al controlador, para que este actúe sobre el motor de orientación en consecuencia. Sensores Captan señales sobre los parámetros de operación del sistema. Acondicionador de Chequean la velocidad y la dirección del viento. señal Torre Elevar el rotor de la maquina respecto del nivel del suelo. Góndola Proteger de los agentes atmosféricos.

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c) Síntesis de funciones Tabla 1.2: Síntesis de funciones Elementos Rotor Palas Bujes Árbol de baja velocidad Acoplamiento Freno Caja multiplicadora de engranajes Árbol de alta velocidad Generador asíncrono Generador síncrono Motoreductor Veleta Sensores Acondicionador de señal Torre Góndola

Esencial X X X

No esencial

X X X

X X X X X X X X X

d) Caja blanca del sistema de generación eólico

Soporte

+

+

+ Energía cinética del viento

+

Captacion

+

Transmisión Mecánica

+

+

+

Generación eléctrica

+

Regulación y control Orientación

+

Figura. 4.2: Caja blanca del sistema de generación eólico 7

Energía eléctrica

4.1 Políticas de investigación 1. Los proyectos de investigación deben resolver problemas de generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía eólica, de acuerdo a las líneas de investigación sugeridas para los programas de estudio de postgrado que financia el MINEM (CARALEC). 2. Para resolver problemas de falta de energía en zonas rurales aisladas, para mejorar la calidad de vida de los pobladores. 3. Los integrantes del equipo de investigación de sistema de generación eólica ejecutarán el proceso de investigación durante el desarrollo de estudios concluyendo al finalizar el último semestre con la sustentación del borrador de tesis. 4. Las actividades de investigación han de efectuarse en zonas rurales aisladas de la región, y en la UNCP. 5. Los proyectos de investigación utilizarán el método científico y el enfoque sistémico. 6. Los proyectos de investigación requieren de la construcción de modelos y prototipos 7. La investigación será compartida entre los integrantes del equipo de investigación, la comunidad beneficiaria así como expertos en el tema a quienes se recurrirá a través de consultas oportunas.

4.2 Programa de investigación Energías renovables

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4.3 Línea de investigación Diseño y construcción del sistema de captación de un aerogenerador. a) Caja negra del sistema de captación Energía Cinética del viento

SISTEMA DE CAPTACIÓN

Energía mecánica

Variable Independiente

Variable Dependiente

Figura. 4.3: Caja negra del sistema de captación Salidas: Información: Torque de baja rpm Energía: Energía mecánica Materia: ninguno Entradas: Información: limite de Betz Energía: Energía cinética del viento Materia: ninguno b) Matriz de funciones del sistema de captación Tabla 4.1: Atributos y funciones del sistema de captación Atributo FUNCIÓN Exceder el Límite de Betz para un aprovechamiento Difusor mejor de la energía cinética del viento Palas Captar la energía dinámica absoluta para convertir en un movimiento rotacional.

c) Síntesis de funciones del sistema de captación Elementos Difusor Palas

Tabla 4.2: Síntesis de funciones Primario Secundario X X

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d) Caja blanca del sistema de captación

Energía cinética del viento

Tamaño de las palas

Difusor

+

Energía Mecánica optima obtenida del viento

+ +

Diseño de la forma de las palas

Número de palas

Figura. 4.4: Caja blanca del sistema de captación 4.3.1 Denominación Sistema de captación eleoeléctrica para obtener energía mecánica. 4.3.2 Objetivo Diseñar y construir los componentes de un sistema de captación del sistema de generación eólica para obtener una energía mecánica óptima. 4.3.3 Problemas PROBLEMA PROBLEMAS Descriptivo ¿Cuáles son las características del difusor y del diseño de las palas que permite lograr una energía mecánica optima? Explicativo ¿Cómo se relacionan el difusor y las palas para lograr una energía mecánica optima? Experimental ¿Qué pasa con la energía mecánica si se modifica la estructura del difusor y las pala? Aplicada ¿Cómo combinar las formas o estructuras del difusor y las palas para mejorar la energía mecánica de rotación en el rotor de un aerogenerador?

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5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ACTIVIDAD

2011

2012

2012

E

F

II SEMESTRE M A M J J

x

x

x

I SEMESTRE D Sistema problemático Presentación e inscripción del plan de tesis Desarrollo de la tesis Presentación y pre sustentación de borrador de tesis

x

x

x

x

2013

III SEMESTRE A S O N

IV SEMESTRE D E F M

x

x

x

x

x

x x

x

x

6 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio; Castro Gil Manuel-Alonso (2009), señalan que un sistema de generación eólica está compuesto por seis subsistemas, que son: A) Subsistema de captación: B) Subsistema de transmisión mecánica C) Subsistema de generación eléctrica D) Subsistema de orientación E) Subsistema de regulación F) Subsistema de soporte. Dichos autores también indican que un sistema de captación para generación de potencia en sistema eólico esta formado por un rotor que 11

x

x

tiene como componente principal las palas en donde incide la masa del aire en movimiento en forma de energía cinética transformando en energía mecánica manifestándose como un torque en el eje del aerogenerador. Oscar Alfredo Jaramillo salgado (2010), da a conocer que es posible exceder el límite de Betz colocando una turbina eólica en el difusor. Si el corte transversal del difusor se asemeja a un perfil aerodinámico, una fuerza de sustentación se generara por el flujo a través de la pantalla elevándose de esta manera el coeficiente de energía.

7 SOPORTE 7.1 Capital humano El equipo de trabajo para el estudio y ejecución del presente trabajo de investigación está constituído: NOMBRES Y APELLIDOS Mario Arellano Vílchez

OBLIGACIONES

Raúl Mayco Chávez

Colaborador

Responsable

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CAPITAL HUMANO

APORTE AL TRABAJO Profesor Auxiliar Análisis y adscrito FIM-UNCP diseño en el Dictado de sistema de asignaturas: Análisis captación con matemático difusor Estudio de Maestría: Administración mención informática para la gestión Estudio de Doctorado: Tecnología energética Profesor Principal Análisis y adscrito FIM-UNCP diseño en el Dictado de sistema de asignaturas: transmisión Termodinámica, Centrales hidroeléctricas, centrales termohidráulicas.

Edmundo Muñico Casas

Colaborador

Rolando Montalván Lozano

Colaborador

Arturo Gamarra Moreno

Colaborador

Armando Calcina Sotelo

Colaborador

Estudio de Maestría: Tecnología energética Profesor Asociado adscrito FIM-UNCP Dictado de asignaturas: Mecánica de fluidos, turbo maquinas, termodinámica, energías no convencionales, centrales termohidráulicas Estudio de Maestría: Desarrollo Rural sostenible Profesor Asociado adscrito FIM-UNCP Dictado de asignaturas: Maquinas eléctricas, electrónica Estudio de Maestría: Administración Finanzas Estudio de Doctorado: Ingeniería eléctrica Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCP Dictado de asignaturas: Matemática básica Estudio de Maestría: Administración mención informática para la gestión Estudio de Doctorado: Sistemas Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCP Dictado de asignaturas: Motores de combustión interna Estudio de Maestría: Ciencias energéticas con mención en gas natural

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Análisis y diseño en el sistema de captación sin difusor

Análisis y diseño en el sistema del generador eléctrico

Análisis y diseño del sistema de transmisión directo

Análisis y diseño en el sistema del regulación y control

7.2 Materiales, equipamiento e instrumentos Materiales  Fibra de vidrío  Madera  Sensores y otros elementos electrónicos  Imanes permanentes  Rodamientos

Equipos e Instrumentos  Anemómetro  Ordenador  GPS  Tacómetro  Voltímetro

8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN Considerando en este caso la siguiente línea de investigación: Diseño y construcción del sistema de captación de un aerogenerador; se requiera evaluar la investigación según el siguiente diagrama de flujo:

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INICIO

NO

Realizar investigacIón descriptiva

NO

Realizar investigacIón explicativa

NO

Realizar investigacIón experimental

NO

Realizar investigacIón aplicada

¿Cuáles son las características del difusor y del diseño de las palas que permite lograr una energía mecánica optima?

SI

¿Cómo se relacionan el difusor y las palas para lograr una energía mecánica optima?

SI

¿Qué pasa con la energía mecánica si se modifica la estructura del difusor y las pala?

SI

¿Qué pasa con la energía mecánica si se modifica la estructura del difusor y las pala?

SI FIN

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9 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA Antezana Núñez, Juan Cristobal. Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de eje vertical. Tesis de grado. Chile: Universidad de Chile 2004. Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio; Castro Gil Manuel-Alonso. Centrales de Energías renovables. Generación eléctrica con energías renovables. Madrid, España: Pearson Educación S.A. 2009. Cadiz, Juan, Ramos, Juan. La energía eólica. España: Hermann Blume, 1984. Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, diciembre de 2011. Espinoza Montes, Ciro. Metodología de investigación tecnológica. Pensando en sistemas. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, marzo de 2010. Oscar Alfredo Jaramillo salgado. Tendencias tecnológicas y aplicaciones de la energía eólica para la generación eléctrica; 2010. URL disponible en: http://www.olade.org/en/product/CAPEV/programs-virtualcourses/tendencias-tecnologicas-y-aplicaciones-de-la-energia-eolica Pérez Ramiro Rodrigo. Diseño y Construcción de un aerogenerador de 100 W para su aplicación de zonas indígenas de México. Tesis de Maestría. España: Universidad de Zaragoza; 2006.

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ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA MAESTRIA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA APELLIDOS Y NOMBRES DEL MAESTRANDO Arellano Vilchez Mario Alfonso_______________________________________ LINEA DE INVESTIGACIÓN Diseño

y

construcción

del

sistema

de

captación

de

un

aerogenerador___________________________________________________ _______________________________________________________________ ______________________________________________________________ TEMA DE TESIS Sistema de captación para aumentar la energía mecánica de rotación del rotor de un aerogenerador_____________________________________________ _______________________________________________________________

PROBLEMA ¿Cómo combinar las formas o estructuras del difusor y las palas para mejorar la energía mecánica de rotación en el rotor de un aerogenerador?___________ _______________________________________________________________

__________________________

__________________________

Tesista

V°B° Docente

__________________________ V°B° Director de la UPGFIM

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