Plataforma ECOITLA 2.- (Paper de Energías Alternativas y Ecosistemas)

Título: Desarrollo del aerogenerador ecológico EOLOITLA

Autor: Ing. William Ernesto Camilo Reynoso, Msc. Docente & investigador del centro internacional de investigación CREA. Instituto Tecnológico de Las Américas ITLA. Santo Domingo, República Dominicana Mayo 2008. Abstract El ser humano, como todo ser vivo, depende del entorno para obtener energía. Previo al desarrollo industrial, el hombre utilizaba los animales, los vegetales, la fuerza del viento y del agua para obtener la energía necesaria para sus funciones vitales, para producir calor, luz y transporte. Luego, el hombre pasó a utilizar fuentes de energía almacenada en recursos fósiles, primero fue el carbón y posteriormente el petróleo y el gas natural. Actualmente, los combustibles fósiles y la energía nuclear proporcionan cada año alrededor del 90% de la energía que se utiliza en el mundo. Pero las reservas de combustibles fósiles son limitadas y, en mayor o menor grado, son contaminantes. Desde mediados del siglo XX, con el crecimiento de la población, la extensión de la producción industrial y el uso masivo de tecnologías, comenzó a crecer la preocupación por el agotamiento de las reservas de petróleo y el deterioro ambiental. Desde entonces, se impulsó el desarrollo de energías alternativas basadas en recursos naturales renovables y menos contaminantes, como la luz solar, las mareas, el aire, el agua, y la bioenergía proveniente de los biocombustibles. A diferencia de los combustibles fósiles que provienen de la energía almacenada durante largos períodos en los restos fósiles, los biocombustibles provienen de la biomasa, o materia orgánica que constituye todos los seres vivos del planeta. La biomasa es una fuente de energía renovable, pues su producción es mucho más rápida que la formación de los combustibles fósiles.

La República Dominicana es un país importador neto de petróleo con una factura anual de unos US $2,300,000,000. Más de 300,000 hogares no tienen acceso a las redes de energía eléctrica.

El Autor recalca el que nuestra investigación parte del hecho social de la carencia de energía eléctrica que soporta la población nacional como sociedad o ente organizado de ciudadanos; pues nuestro país tiene un déficit promedio de potencia eléctrica de unos 300 MW diarios.

La República Dominicana posee un gran potencial de vientos de hasta 10,000 MW como puede observarse en el Atlas Eólico de la República Dominicana, elaborado por el laboratorio Nacional de Energías Renovables de los Estados Unidos de Norte América ( NREL ). Además se cuenta con una posición geográfica privilegiada en cuanto a recepción solar, con significativas extensiones costeras para implementar sistemas de energías alternativas en el mar, con alta proporción de regiones montañosas con múltiples cauces fluviales y pendientes pronunciadas.

Es nuestra preocupación la de innovar dentro de lo que es el desarrollo de un modelo de aerogenerador “ Ecológico” para medianas potencias entre 500 a 3000 watts; el cual sea fruto de una estrategia para reciclar piezas de vehículos viejos, y donde el aporte mas importante sea el de desarrollar un rotor multipalas con material liviano, seguro y barato.

Se pretende que nuestro diseño aerodinámico nos permita trabajar a muy bajas velocidades de viento( por el orden de los 5 m/seg.) para así aprovechar el gran potencial de viento disponible en casi toda la geografía nacional a estas velocidades.

Cabe destacar que los molinos importados; no trabajan bien a esas velocidades; además de ser muy caros ( por el orden de los US$3,500.00 el kilovatio) sin incluir torre de soporte ni instalación.

Fig. 1.- capacidad de producción de energía eólica

Fig. 2.- Aerogenerador tripala mediano Fig. 3.- Aerogenerador ECOITLA ANTECEDENTES HISTORICOS Y FUENTES EOLICAS Y SOLARES La energía es una propiedad de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éste puede transformarse, modificando su estado o posición, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación. La energía puede tener distintos orígenes y, dependiendo de ellos se le denomina de una forma u otra: Energía cinética: Asociada al movimiento de los cuerpos Energía potencial: Asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas. Energía interna: Asociada a la temperatura de los cuerpos. Energía luminosa: Asociada a la radiación solar. Energía nuclear: Asociada a los procesos de fusión (unión de núcleos) o fisión (ruptura de núcleos) que tienen lugar en el interior de los átomos.

Fuentes de energía Llamamos fuente de energía a un sistema natural cuyo contenido energético

es susceptible de ser transformado en energía útil. Renovables. Son aquellas fuentes que no desaparecen al transformar su energía en energía útil. No renovables. Es el sistema material que se agota al transformar su energía en energía útil. RENOVABLES Agua almacenada en los pantanos (energía hidraúlica) El Sol (energía solar) El viento (energía eólica) La biomasa Las mareas (energía mareomotriz) Las olas NO RENOVABLES

Combustibles fósiles: Carbón, Petróleo, Gas Natural. Geotérmica La forma de energía que posee el Sol es energía nuclear interna que se transforma en la energía que emite mediante procesos de fusión. El Sol emite sin cesar lo que se llama energía radiante o, simplemente, radiación. Se transforma en lo que habitualmente se denomina energía térmica y en energía eléctrica. Se puede realizar directamente (fotovoltaica) o indirectamente.

Energía Solar VENTAJAS

Limpia Sencillez de los principios aplicados Conversión directa Empieza a ser competitiva

INCONVENIENTES Grandes variaciones en el tiempo de irradiación Es aprovechable sólo en algunas partes del planeta Necesidad de grandes superficies de captación para su

aprovechamiento a gran escala Tecnología en desarrollo

Dificultad de almacenamiento . En un día brillante, asoleado que el sol brilla, produce aproximadamente

1,000 vatios de energía por metro cuadrado de la superficie del planeta. De dónde viene la energía eólica?

Todas las fuentes de energía renovables (excepto la maremotriz y la geotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen, en último término, del sol. El sol irradia 174.423.000.000.000 kWh (174 millones, 423 mil megavatios hora) de energía por hora hacia la Tierra. En otras palabras, la Tierra recibe 1,74 x 10 ^17 W de potencia.

Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del sol es convertida en energía eólica. Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra.

Las diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire El aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar una

altura aproximada de 10 km y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Si el globo no rotase, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur, para posteriormente descender y volver al ecuador.

1) La potencia emitida por el Sol sobre la superficie de la esfera que tiene al Sol como su centro y el radio promedio de la trayectoria terrestre es de 1.37 kW/m 2 . La potencia incide sobre un disco circular con un área de 1.27 x 10 ^14 m 2 . La potencia emitida a la Tierra es, por tanto, de 1.74 x 10^ 17 W.

2) En promedio, la producción primaria neta de las plantas está alrededor de 4.95 x 10^ 6 calorías por metro cuadrado y por año. Esto la producción primaria neta global , es decir, la cantidad de energía disponible en todos los posteriores eslabones de la cadena alimenticia/energética. El área de la superficie de la Tierra es de 5.09 x 10 ^14 m 2 . Así pues, la cantidad de potencia neta almacenada por

las plantas es de 1.91 x 10 ^13 W, lo cual equivale al 0.011% de la potencia emitida a la Tierra. Puede encontrar el factor de conversión entre las unidades energéticas calorías y Julios .

Fig. 3.- Mapa con el potencial eólico del País y del área de las Américas. I) PASOS PARA EL DISEÑO DE UN MOLINO EOLICO DE MEDIANA POTENCIA ENERGIA ESTIMADA PARA EL LUGAR DE EMPLAZAMIENTO

Fig. 4.- tabla para escoger los parámetros de diseño del molino

Fig. 5.- perfiles aerodinámicos

Aerodinámica

Fig. 6.- perfiles aerodinámicos (cont.)

Curvas para el diseño del Rotor

Fig. 7.- Curvas y tablas para determinar el TSR ( cociente entre velocidad lineal del viento y la velocidad lineal de las palas del rotor) CONSIDERACIONES DE DISEÑO

El rotor está conformado por delgadas placas metálicas, de perfil no aerodinámico, prácticamente planas, con una cierta orientación de unos 40 grados; el viento ejerce sobre ellas una fuerza de arrastre que provoca el par de giro. del viento del orden de 5

m/seg y se puede expresar, en primera aproximación, mediante la fórmula: P = 0,15 D2v3 en la que: P es la potencia en W D es el diámetro exterior del rotor en m. v es la velocidad del viento en (m/seg) Su rendimiento máximo es del orden del 30% (aproximadamente el

50% del límite de Betz) con un TSR del orden de la unidad, (la periferia de la pala gira a una velocidad u igual a la velocidad del viento v

CALCULOS PARA EL DISEÑO

• Geometría * D= 6 metros * N= 4- 6 Palas de 10 pies de radio, perfil trapezoidal de 24 x 12 pugs. ( 61 x

30.5 cm) W1= 21 libras cada pala W2= 24 libras la veleta W3= 21 libras el aro de soporte de las palas • cpp = 60Cm (cuerda en la punta de la pala) • cra = 120Cm (cuerda en la raiz de la pala) • µ = 40° (alabeo) • Paso en la punta de la pala = 7° • Resultados nominales • Cupla = 35.9 N.m • Pcaptada = 2,824.8 W • Fuerza axial = 557.8 N • Velocidad de corte inferior (cupla del rotor > cupla de arranque del generador

con carga) = 4 m/s • Cp = 41% • Resultados para velocidad de supervivencia • Vsuper = 28 m/s • Fuerza axial = 2,547.27 N Partes mecánicas: Todas la piezas del aerogenerador fueron diseñadas y construidas por el equipo de

trabajo. A continuación se muestra un plano de despiece del mecanismo completo.

DISEÑO DE LAS ASPAS DEL ROTOR

Fig. 8.- Palas del rotor

Fig. 9.- otros tipos de aerogeneradores

Fig. 10.- Pruebas a prototipo Construcción de la torre, multiplicador y partes del Rotor de nuestro proyecto

Fig. 11.- Prototipo de torre DESGLOCE DE LA ESTRUCTURA DE NUESTRO AEROGENERADOR DE 4- 6 PALAS DE 6 METROS DE DIAMETRO, EN ALUZINC PARA 1.2 A 3.3 KVA, 5 A 7M/SEGS, 120W/M2, 12 A 16 RPM EN EL ROTOR.

Fig. 12.- Desgloce de un prototipo

Resumen y conclusión El uso y explotación de los recursos energéticos naturales como la energía del viento y la de los rayos del sol, tan abundantes en nuestro País; impone una seria reflexión hacia la orientación del currículo de la educación técnica hacia el diseño, construcción y montaje de Plantas de producción de energía eléctrica a partir de las energías alternativas; en orden a abastecer las necesidades nacionales, racionalizar las divisas y mejorar el medioambiente y el ecosistema. W. Camilo R.