Dimensioning and ener=
gy
evaluation of a wind turbine installed in a family house
Lidia
del Rocío Castro Cepeda.[1], =
Andrés
Joao Noguera Cundar.
[2] &=
amp;
Mónica Alexandra Moreno Barriga [3]
Recibido: 02-10-2019 / Revisa=
do:
26-10-209 /Aceptado: 05-11-2019/ Publicado: 07-12-2019
The present theoretical research study was conduct=
ed
in the parish San Juan Chico,which objective is=
to
calculate and design a wind turbine that can be attached to a single-family
home in order to avoid the consumption of the network. A scientific methodo=
logy
was applied to start from data that have been collected several years ago
without giving them an investigative treatment; the techniques used to coll=
ect
this data were to go to the database that ESPOCH has. Then we proceeded to
calculate the characteristic wind curves through calculation tools that alr=
eady
exist for this type of wind turbines, and then the generator power and its
construction elements were designed. Finally, the typical consumption of a
single-family home was calculated and compared with the one that is going t=
o be
generated arriving at effective and efficient results with what can be expe=
cted
that this theoretical work can become an experimental work and thus
scientifically prove the Results obtained during this investigation.=
Resumen.
El
presente estudio teórico de investigación se realizó en la parroquia San Ju=
an
Chico, Cantón Calpi, Provincia de Chimborazo cu=
yo objetivo
es calcular y diseńar un aerogenerador que se pueda acoplar a una vivienda
unifamiliar con el fin de evitar el consumo de la red. Se aplicó una metodo=
logía
científica para partir de datos que se han recolectado hace varios ańos sin
darles un tratamiento investigativo; las técnicas utilizadas para recopilar=
estos
datos fue acudir a base de datos con las que cuenta la ESPOCH. Luego se
procedió a calcular las curvas características del viento a través herramie=
ntas
de cálculo que ya existen para este tipo de aerogeneradores, posterior se
diseńó la potencia del generador y sus elementos de construcción. Finalment=
e se
calculó el consumo típico de una vivienda unifamiliar y se comparó con la
energía que se espera generar con el equipo, llegando a resultados efectivo=
s y
eficientes. Esta investigación teórica puede convertirse en un trabajo
experimental y de esta forma probar los resultados obtenidos.
Palabras claves: aerogenerador, energ=
ía
eólica, energía renovable, electricidad, viento.
Introducción.
La
energía renovable es un término utilizado ampliamente en la actualidad, hace
referencia a todos los tipos de energía que provienen de fuentes limpias e
inagotables, tienen gran potencial puesto que estas son: diversas, abundant=
es y
cumplen con una condición muy beneficiosa para el medio ambiente que es la =
no
emanación de gases de efecto invernadero, ni emisión de contaminantes.
Analizando
las importantes características, es fácil entender el crecimiento imparable=
que
se está observando en el aplicación y desarrollo de nuevas tecnologías que
aprovechen de manera eficiente estas energías.
Dentro
de las fuentes de energía importantes se encuentra la llamada energía eóli=
ca,
es aquella que tiene como fuente única al viento y de forma resumida se la
puede definir como una energía cinética producida por consecuencia de las
corrientes de aire, sus aplicaciones son variadas sin embargo se pueden cla=
sificar
en tres grupos que se derivan de la trasformación de la energía eólica en:
energía mecánica, térmica y eléctrica, siendo esta última la que tiene más
aplicación a nivel mundial.
Es
importante entonces, enfocar el desarrollo de alternativas que aprovechen el
viento y lo conviertan en energía eléctrica. Estas tecnologías en la actual=
idad
ya se encuentran en marcha, su principal aplicación es la utilización de
aerogeneradores, dispositivos que son capaces de transformar la energía
cinética del viento en energía mecánica pues su estructura está formada por
hélices diseńadas aerodinámicamente que bajo acción del viento producen un
movimiento rotatorio, luego esta energía mecánica a través de un sistema de
trasmisión por ejes hace girar un generador de corriente trifásica logrando=
de
esta forma convertir la energía cinética en energía eléctrica.
Las
distintas características de un aerogenerador como su potencia, tipo,
disposición de las hélices, requerimientos de la red, =
etc,
han hecho que la generación de electricidad eólica se aplique alrededor del
mundo, principalmente en los conocidos parques eólicos o plantas de generac=
ión
eléctrica eólica, en donde se encuentran emplazadas en campos abiertos de
grandes áreas, varias torres de generación distanciadas unas de otras en
función de condiciones como, velocidad del viento, movimiento de las hélice=
s,
impacto ambiental, etc.
Los
países con más participación en producción de energía eléctrica mediante
aerogeneradores son Estados Unidos, China, Alemania, Espańa, India, Reino
Unido, Canadá, Francia, entre otros, con la observación de que todos ellos
utilizan únicamente grandes campos eólicos, es decir que los mismos son la
principal fuente de electricidad. Con el análisis de esta importante
característica, se convierte en una opción significativa escalar esta
tecnología a los hogares, de tal forma que se logre una aplicación de la
El
presente trabajo pretende demostrar que la utilización de este tipo de
generación eléctrica es posible en hogares, se realiza un análisis, cálculo,
dimensionamiento y evaluación energética de un aerogenerador que se ubicarí=
a en
una vivienda unifamiliar en la comunidad de San Juan Chico a aproximadament=
e 20
km de la ciudad de Riobamba en la vía a Guaranda, tomando en cuenta parámet=
ros
como: características de la turbina eólica, características del generador,
velocidad y frecuencia del viento, los resultados se contrastan con el cons=
umo
local y precios actuales, comprobándose la factibilidad de la utilización de
energía eólica como fuente de energía eléctrica en hogares de la ciudad.
Me=
todología
Para
la investigación realizada del dimensionamiento y la evaluación energética =
del
aerogenerador, en base a los objetivos planteados se utilizó una metodologí=
a de
tipo científico y descriptiva, por la naturaleza de los datos se aplicó los
métodos cualitativo-cuantitativo, analítico-sintético, las técnicas usadas =
para
recolectar la información primaria corresponden a los datos de viento de San
Juan Chico, que sirven para determinar la velocidad del viento presente en =
un
lugar y tiempo, además constituye el fundamento base para el dimensionamien=
to
del aerogenerador. Por otro lado, se considera el análisis del consumo
energético de una vivienda familiar que corresponde a la muestra estudiada,=
y
finalmente se calcula cual sería la variación obtenida con la instalación d=
el
aerogenerador
Resultados
y Discusión
Para el diseńo se parte las condiciones
iniciales que se muestran a continuación:
Condic=
iones
de Diseńo
ˇ
Características de la Turbina
Eólica.
1.&n=
bsp;
Longitud de palas: 1 m
2. &n=
bsp;
Curva Cp<=
/span>/λ
ˇ
Características del Generador:=
- =
Tipo: Trifásico inducción de J=
aula
doble bobinado
- =
Datos de acometida trifásica <=
b>220
V y 60 Hz
Proces=
o de
Diseńo
Como primer paso para=
el
dimensionamiento del aerogenerador se determina las curvas características =
del
viento que representa el comportamiento de esta máquina eléctrica; en este =
caso
se consideran las características de la turbina y generador, y es importante
mencionar que para el diseńo específico no se cuenta con la caja
multiplicadora, lo que favorece al diseńo ya que al ser de un tamańo acepta=
ble
(1 m) se podrá instalar sin mayores obras civiles extras a las de una vivie=
nda
que posea una terraza común.
Luego se determina lo=
s valores
del coeficiente de potencia Cp para los diferen=
tes
valores de λ que es la relación entre la velocidad tangencial de la pu=
nta
de la pala del aerogenerador y la velocidad real del viento, para cada una =
de
sus velocidades que se tendrá en el eje, dependiendo de las velocidades del
viento que aproximadamente van desde 3 m/s a 10 m/s.
De lo que se tiene
Se
calcula los diferentes valores que tendrá el coeficiente de velocidad en la
punta de pala [λ] a diferentes velocidades del viento, a través de la
siguiente fórmula:
Luego
se calcula los valores del coeficiente de potencia para las diferentes
velocidades del viento (velocidad media anual del viento). Una vez que se
tienen los datos anteriores se puede calcular el coeficiente de par [Cm].
Se calcula el par y la potencia que
proporciona la turbina con una densidad del aire de:
Finalmente
se calcula la familia de curvas POTENCIA [W] VS VELOCIDAD [Ω] (velocid=
ad
angular en el eje) para las distintas velocidades medias anuales del viento
comprendido entre 3 y 10 m/s, que detalla en la figura 1.
Figura
1. Familia de curvas POTENCIA VS VELOCIDAD DE LA TURBINA.
A partir de las curvas anteriores se grafica ot=
ra
curva llamada PAR [M] VS VELOCIDAD [Ω], que corresponde a la figura 2.=
Figura
2. Familia de curvas PAR VS. VELOCIDAD de la turbina.
Para determinar las cur=
vas par-velocidad
para cada uno de los devanados del generador de inducción conectado a la re=
d de
acometida, se calcula el [λ] óptimo a par=
tir
del coeficiente de potencia, que da como resultado:
|
λ optimo =3D |
9,07210 |
|
|
|
A través de esto se obt=
iene
las gráficas de las curvas de los devanados contrapuestas a las de la turbi=
na,
que se representan en la figura 3. Se
determina los devanados, cuyas características son el número de pares de po=
los
y la potencia nominal, para ello se aplica el criterio de seleccionar el
Cm[λ] y Cp[λ] óptimos, obteniendo como
resultado los valores de la tabla 1:
|
Cp (λ optimo) |
0,47777 |
|
Cm (λ optimo) |
0,05266 |
Tabla 1. Cm=
y Cp óptimos
Con los valores óptimos=
se
procede a calcular la potencia y velocidad de cada uno de los devanados a u=
sar
en el generador eléctrico, para el viento medio anual de nuestra aplicación=
:
|
V media viento [m/s] |
6 |
|
Frecuencia [Hz] |
60 |
|
Voltaje [V] |
220 |
Tabla 2. Va=
lores
básicos para cálculos de velocidad y potencia.
Usando las fórmulas de
Potencia y Par en la turbina, se encuentra que los valores más acertado para
este diseńo se representa en las tablas 3 y 4.
|
Ω1 [RPM] |
150 |
|
Nş de Polos |
20 |
|
Potencia [W] |
550 |
|
Z base |
96,182 |
Tabla 3. Va=
lores
nominales de Devanados de Baja.
|
Ω2 [RPM] |
250 |
|
Nş de Polos |
12 |
|
Potencia [W] |
1750 |
|
Z base |
30,229 |
Tabla 4. Va=
lores
nominales de Devanados de Alta.
Figura 3. Curvas PAR VS. VELOCIDAD en contrapar=
te
con la potencia de los devanados 1 y 2.
Las características y l=
os
valores de generación para los valores que tomará la velocidad del viento, =
se
definen en un rango de operación de 3.5 m/s a 6 m/s donde entrará en
funcionamiento el devanado de baja potencia con 20 pares de polos y 550 [W],
mientras que para velocidades del viento superiores a 5 m/s entrará en
operación el devanado 2 de alta potencia de 12 pares de polos y 1750 [W].
Figura 4. Gráficas de potencia
nominales
En la figura 4 se obs=
erva
las gráficas de potencia nominal con sus potencias netas (pérdidas) corresp=
ondientes
a cada devanado, cuyo modo de conmutación entre los devanados de alta y baja
potencia, para que el cambio se produzca de manera óptima cuando los valore=
s de
velocidad del viento fluctúen; será de 6 m/s considerado éste como el punto=
de
cambio entre devanados para lograr la mayor cantidad de energía generada y
depender en menor medida del consumo de energía de la red.
A partir de ello se ha
elegido el emplazamiento con mejores características de viento, que garanti=
ce
la vida útil del aerogenerador y está situado en la provincia de Chimborazo,
Cantón Calpi, parroquia San Juan Chico cuya vel=
ocidad
media de viento anual es de 6 m/s y a través de estos datos es posible obte=
ner
la distribución de Rayleig que se muestra en la
figura 5.
Figura
5. Distribución de Rayleigh para San Juan Chico
La
figura 6 representa la potencia disponible a través de la velocidad media de
viento que se tiene en el emplazamiento elegido que va desde 3 m/s hasta 12=
m/s
Figura 6.<=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif'>
Viento - Potencia Disponible
Y
finalmente se grafica la potencia anual generada dependiendo de la cantidad=
de
viento que aproximadamente se genera durante todo el ańo, es importante acl=
arar
que es un valor teórico calculado con los históricos de datos de viento
obtenidos a través de una base de datos recogida por estudiantes de la Escu=
ela
Superior Politécnica de Chimborazo durante dos ańos antes.
Figura 7. =
Potencia
Generada Anual
Finalmente
se debe calcular el consumo típico aproximado de una vivienda unifamiliar de
tres habitantes con todos los servicios básicos incluida una ducha eléctric=
a,
para de esta forma evitar el uso de un calefón que quema gas doméstico; de =
esta
forma se evita quemar combustibles fósiles, mitigar la huella de carbono y =
la
producción de gases de efecto invernadero.
Dichos
datos se resumen en la tabla 5 donde se detalla un consumo promedio por hor=
a al
día, sabiendo que en el Ecuador no existen estaciones se ha supuesto que todos los días se
consume de la misma forma; para facilitar los cálculos, pero se considera
cuatro días típicos uno por cada trimestre, en el que se utilice la gran
mayoría de los equipos y electrodomésticos de consumo, es decir para los dí=
as
con el mayor consumo, garantizando así que para el resto de días la energía
producida sea mayor igual a la consumida, disminuyendo al máximo consumir la
energía proveniente de la red.
|
HORA |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
0 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
|
1 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
|
2 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
|
3 |
123,22 |
135,22 |
123,22 |
123,22 |
|
4 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
|
5 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
|
6 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
123,22 |
|
7 |
455,12 |
155,12 |
155,12 |
155,12 |
|
8 |
455,12 |
155,12 |
155,12 |
155,12 |
|
9 |
1072,12 |
1002,12 |
252,12 |
552,12 |
|
10 |
497,12 |
427,12 |
427,12 |
427,12 |
|
11 |
1490,12 |
1120,12 |
1120,12 |
1120,12 |
|
12 |
490,12 |
490,12 |
190,12 |
490,12 |
|
13 |
1640,12 |
1570,12 |
1270,12 |
820,12 |
|
14 |
420,12 |
420,12 |
420,12 |
120,12 |
|
15 |
615,12 |
190,12 |
190,12 |
190,12 |
|
16 |
120,12 |
120,12 |
120,12 |
120,12 |
|
17 |
120,12 |
120,12 |
120,12 |
120,12 |
|
18 |
120,12 |
120,12 |
120,12 |
120,12 |
|
19 |
525,12 |
420,12 |
420,12 |
120,12 |
|
20 |
504,12 |
434,12 |
434,12 |
434,12 |
|
21 |
1100,12 |
995,12 |
695,12 |
570,12 |
|
22 |
690,12 |
662,12 |
120,12 |
662,12 |
|
23 |
662,12 |
662,12 |
127,12 |
427,12 |
Tabla 5. C<=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif'>onsumo
típico diario por periodo
En
la figura 8 se visualiza el consumo diario conectado a la red es decir un
consumo normal y en naranja se visualiza el consumo con el aerogenerador,
llegado a horas en el día en las que no utilizamos energía de la red, de es=
ta
manera se espera disminuir los costos mensuales y anuales de energía y sect=
orizar
la producción de energía.
Figura
8. Consumo Horario
Conclusiones.
ˇ =
Al instalar el aerogenerador se puede ahor=
rar
alrededor del 50% del costo anual de la energía consumida.
ˇ =
El sistema se vuelve más rentable y eficie=
nte
pues se consume en gran medida lo que se genera, es así que se reduce la en=
ergía
vertida de la red.
ˇ =
La compra e instalación del aerogenerador
conlleva una inversión, por lo que habría que estudiar el periodo de
amortización para saber si compensa o no.
ˇ =
No existe una normativa en el Ecuador para
este tipo de aerogeneradores por lo que se complicará la instalación, lo id=
eal
será utilizar un sistema autónomo de baterías.
ˇ =
Al ser un pequeńo aerogenerador con buenos
resultados y con características especiales resultará comercial, una vez
probado y con una fabricación en serie.
ˇ =
Es conveniente realizar pruebas una vez
instalado para comparar con otros tipos de generación renovable, como la
energía solar fotovoltaica que ya tiene varias décadas con instalaciones en
viviendas y ha dado buenos resultados.
ˇ =
Con este tipo de estudios se puede incenti=
var
a las autoridades locales y nacionales para invertir en proyectos innovador=
es y
de esta manera disminuir la dependencia de los combustibles fósiles, que ta=
nto
dańo causan al medio ambiente.
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PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Cas= tro Cepeda, L. del R., Noguera Cundar, A., & Mo= reno Barriga, M. (2019). Dimensionamiento y evaluación energética de un aerogenerador para instalar en una vivienda familiar. Ciencia Digital, 3(4.2), 116-128. ht= tps://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i4.2.1013
El artículo que se publica es de exclusiva
responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el pensamiento =
de
la Revista Ciencia Digital.
El artículo queda en
propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en o=
tro
medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1]Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica. Riobamba, Ecuador.
lidia.castro@espoch.edu.ec
[2]Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica. Riobamba, Ecuador.
andres.noguera@espoch.edu.ec
[3]Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecánica. Riobamba, Ecuador. monica.moreno@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org =
Vol. 3, N°4.2, p. 116-128, diciembre, 2019<=
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