PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO EN ENERGÍA EÓLICA DE BAJA POTENCIA

1. PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO EN ENERGÍA EÓLICA DE BAJA POTENCIA

2. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS • EN ESTE TRABAJO SE HAN ANALIZADO LAS DOS ALTERNATIVAS QUE HASTA LA FECHA APARECEN COMO LAS MÁS PROMISORIAS EN CUANTO AL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA DISPONIBLE EN EL VIENTO: • A) LAS TURBINAS DE EJE HORIZONTAL • B) LAS TURBINAS DE EJE VERTICAL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

3. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

4. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS • AMBAS ALTERNATIVAS PRESENTAN VENTAJAS Y DESVENTAJAS Y QUE SE PUEDEN RESUMIR DE LA SIGUIENTE MANERA: TURBINAS DE EJE HORIZONTAL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

5. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS TECNOLÓGICAS TURBINAS DE EJE VERTICAL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

6. EL MERCADO DE AEROGENERADORES DE BAJA POTENCIA EN EL PAÍS

7. TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL EN ARGENTINA Generador Wintec 1500 –Electromecánica BottinoMendoza Generador Agrolux 2Kwatts PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

8. TURBINAS EÓLICAS DE EJE HORIZONTAL EN ARGENTINA Generador IVS 4500 INVAP – San Carlos de Bariloche –Rio Negro PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

9. TURBINAS EÓLICAS DE EJE HORIZONTAL EN ARGENTINA Generador Eolux -800 Watts – GiacoboneRio IV -Córdoba Eólica Salez (Buenos Aires) PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

10. TURBINAS EÓLICAS DE EJE HORIZONTAL EN ARGENTINA Eólica Argentina- Turbina Montaraz ELI 206 PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

11. TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL EN ARGENTINA En cuanto al diseño y construcción de Turbinas Eólicas de Eje Vertical el INTI (Instituto Nacional de Tecnología Industrial) ha experimentado con un Generador de tres palas con perfiles simétricos y un generador interno tipo Savonius para el autoarranque . Este Proyecto ha sido evaluado en las inmediaciones de la Ciudad de Mar del Plata. PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

12. ETAPAS EN EL DESARROLLO DE UN GENERADOR EÓLICO DE EJE VERTICAL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

13. ETAPAS DEL DISEÑO Este Proyecto nace a principio del año 2005 con el objetivo de diseñar y construir un Generador Eólico de Eje Vertical que pudiera suministrar una potencia pico de 1 Kwatt con velocidades de viento de 10 (m/s). Se decidió el uso de la tecnología de eje vertical debido fundamentalmente a dos razones principales: La experiencia adquirida por Ericsson con su modelo Sundwind para suministro de energía a sus instalaciones de Telecomunicaciones en lugares remotos. La posibilidad de construcción de todos sus componentes con tecnología disponible en la zona (Eje central y Brazos y palas) PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

14. ETAPAS DEL DISEÑO La primeras variables que deben tomarse en cuenta en las etapas preliminares de este tipo diseño son las siguientes: La elección y/o diseño del perfil alar a utilizarse La solidez o relación entre la cantidad de palas, la cuerda del perfil y el radio de los brazos. La solidez esta definida por la siguiente expresión: Siendo : n: Numero total de palas C: Cuerda del perfil alar R: Radio o longitud de los brazos PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

15. ETAPAS DEL DISEÑO Para el primer Generador Eólico y siguiendo la tendencia imperante en el diseño de turbinas eólicas en el mundo se adopto una solidez menor que la unidad (σ=0.625). Simultáneamente se eligió como perfil alar uno empleado por muchos investigadores en diversas universidades de USA: el NACA 0015. Este es un perfil simétrico con un espesor máximo del 15% de la cuerda Como cuerda alar c=0.25 m Longitud de las palas: 1.5 m Y por último el número de palas igual a 3 PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

16. ETAPAS DEL DISEÑO La elección de un perfil NACA (National Advisory Comittee for Aeronautics) por muchos investigadores para su empleo el Generadores Eólicos de Eje Vertical se debe principalmente a que sus características aerodinámicas han sido obtenidas mediante mediciones exhaustivas en túneles de viento y existen bases de datos que están a disposición de cualquier particular. Las características aerodinámicas fundamentales para cualquier perfil alar son los siguientes Coeficiente de Sustentación : Coeficiente de Resistencia : Coeficiente de Momento : PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

17. ETAPAS DEL DISEÑO En los Reportes de la NACA se representan mediciones de perfiles alares para distintos Números de Reynolds y ángulos de incidencias comprendidos entre valores empleados en la aviación general. Por lo expuesto sólo están disponibles los datos dentro de ese rango únicamente. Otro parámetro esencial en el diseño NR : Numero de Reynolds ρ: densidad del aire V: Velocidad del aire μ: Viscosidad dinámica C: cuerda alar En el gráfico de la página siguiente pueden apreciarse la variación de las características aerodinámicas del mencionado perfil determinadas por tres de los principales investigadores en turbinas de eje vertical (Stickland, Shedahl y Klimas) PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

18. ETAPAS DEL DISEÑO PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

19. ETAPAS DEL DISEÑO Como puede observarse los gráficos de Strickland, Shedahl y Klimas abarcan un gran rango de ángulos de ataque. Esto es debido a que durante las condiciones de arranque, las palas de este tipo de Generadores Eólicos son sometidos a variaciones en el ángulo de incidencia realmente extremos durante cada ciclo. Esta amplia variación de la incidencia tiene grandes implicancias en el rendimiento aerodinámico de estas turbinas de eje vertical. Es claro que a partir de un ángulo α> 40° el Coeficiente de Resistencia supera al Coeficiente de Sustentación y por lo tanto como el Torque entregado por cada pala está directamente relacionado con estos coeficientes y es expresado matemáticamente de la siguiente manera: : Coeficiente de Torque PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

20. ETAPAS DEL DISEÑO El objetivo es entonces maximizar el primer termino del lado derecho de la ecuación y reducir por ende el segundo. Esto es lo que se puede lograr con el diseño o la elección del perfil alar . PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

21. ETAPAS DEL DISEÑO Como puede observarse en las condiciones de arranque donde la velocidad de rotación es igual o levemente superior a la del viento se presentan condiciones no adecuadas para este tipo de generadores. El parámetro que establece esta relación es el siguiente PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

22. ETAPAS DEL DISEÑO Con la información disponible hasta ese momento se decidió construir un prototipo cuyas características de diseño tanto mecánico como aerodinámico pueden visualizarse en la siguiente fotografía: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

23. ETAPAS DEL DISEÑO Con el propósito de lograr el auto arranque de la turbina eólica, se le introdujo en su parte interna un generador del tipo Savonius como se muestra en la siguiente fotografía y cuyos resultados no pudieron verificarse debido que un viento superior a los 30 m/s lo destruyo completamente:

24. ETAPAS DEL DISEÑO Este primer prototipo presento serias dificultades para auto arrancar y alcanzar la velocidad optima de diseño estimada inicialmente en λ=3. Es decir cuando la velocidad tangencial de rotación es tres veces superior a la del viento. Las razones para esta situación se estimaron en que con la cuerda del perfil a alar (c=0.25m) se operaba a Números de Reynolds muy bajos y en estas condiciones aparecen un fenómeno en la Capa Limite conocido como “Burbujas de Separación Laminar” que tienen como efecto principal un incremento drástico en el Coeficiente de Resistencia, un decremento en el de Sustentación y se adelanta la transición de flujo laminar a turbulento. Este fenómeno puede observarse en las siguientes figuras: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

25. ETAPAS DEL DISEÑO Ante la imposibilidad de corregir este fenómeno (elegido el perfil alar) y de realizar estudios experimentales mediante mediciones que permitieran corroborar fehacientemente esta particularidad de flujos con bajos Números de Reynolds, se opto por trabajar en simultáneamente en dos aspectos : Aprovechando las posibilidades que ofrece la CFD (Computational Fluid Dynamics), utilizando un software de emulación de Túneles de Viento denominado Xfoil desarrollado por el Dr. Drela del MIT (Massachusetts Institute of Technology) . Además se han desarrollado Programas de Cálculo que engloban distintos sub módulos (Dynstall,Post Stall,etc)que permiten predecir la performance de un Generador Eólico en tamaño real. Esto puede visualizarse en el siguiente Datagrama: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

26. ETAPAS DEL DISEÑO Por lo que se decidió en adoptar a un nuevo procedimiento a seguir en lo referente a la definición del perfil alar que es totalmente diferente al adoptado inicialmente para el primer modelo y cuyos pasos para su diseño fueron los siguientes:A) Se realiza un proceso inverso partiendo de una distribución de presiones y velocidades deseadas para evitar la aparición de las Burbujas de Separación Laminar se obtienen las coordenadas del perfil que cumpla con estas exigencias B) Con el propósito de lograr buenas condiciones de auto arranque y así evitar la incorporación de un rotor Savonius, la restricción es que el perfil debía tener una gran combadura para que en los momentos iníciales el torque obtenido fuera por diferencia de resistencia aerodinámica entre el intradós y el extrados y una vez superada esa etapa se comportara como de sustentación neta. PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

27. ETAPAS DEL DISEÑO Diseñado ahora el perfil alar a utilizar en el nuevo modelo se definió su cuerda alar. Para esto se tuvo en cuenta la necesidad de lograr Números de Reynolds más elevados y evitar así la influencia negativa de las fuerzas viscosas. A tal efecto la cuerda elegida de c=0.4 m y la alturas de las palas se elevo a 2m Otra decisión importante fue la elección del radio de la turbina. Con el objetivo de incrementar la velocidad de rotación y emplear menores valores en la multiplicación necesaria para utilizar generadores eléctricos de los modelos de eje horizontal, se eligió el radio de 1 m (r=1m). Inicialmente se mantuvo el modelo con tres palas. Con estas variables definidas la solidez se elevo a valores mayores a (σ=1.2). Otro paradigma se había modificado. Todos los modelos de Generadores de Eje Vertical en estudio tienen solidez inferior a la unidad. A los efectos de convalidar las prestaciones calculadas se construyo una maqueta en escala 1:5 que se muestra en las siguientes fotografías: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

28. ETAPAS DEL DISEÑO PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

29. ETAPAS DEL DISEÑO Este modelo a escala fue probado de dos maneras distintas: A) Mediante la utilización de un ventilador tipo industrial que entregaba como máximo velocidades del orden de 5 m/s . Con estos valores el modelo no lograba arrancar por sus propios medios y alcanzar el valor λ>2 (régimen optimo de funcionamiento) B) Colocado en la parte superior de la cúpula de una camioneta que se desplazaba a una velocidad promedio de 6 m/s. Los resultados no fueron satisfactorios. Cabe destacar que en los procesos de simulación numérica los valores de torque resultante eran positivos lo que indica que el Generador Eólico no tiene condiciones de auto arrancar por sus propios medios y alcanzar el régimen de funcionamiento optimo. PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

30. ETAPAS DEL DISEÑO PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

31. ETAPAS DEL DISEÑO EL RECURSO FUNDAMENTAL PARA ESTE TIPO DE EMPRENDIMIENTOS EL VIENTO PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

32. ETAPAS DEL DISEÑO Por el análisis realizado sobre la competencia para este tipo de generadores eólicos (paneles solares) se requiere como mínimo una turbina de entre 2Kw y 2.5Kw para obtener un rendimiento equivalente con los vientos imperantes en la Provincia de Córdoba, que puede observarse de mediciones realizadas por la Empresa Provincial de Energia (EPEC): PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

33. ETAPAS DEL DISEÑO Region I 6.5 m/s Region II 7.0 m/s Region III 7.5 m/s Región IV 8.0 m/s Región V 8.5 m/s Todas estas velocidades han sido obtenidas por mediciones realizadas en distintos puntos de la provincia a 60 m de al altura. Su conversión a una altura de 6 m se realiza mediante la Ley de la Potencia: PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

34. ETAPAS DEL DISEÑO Donde: Altura de la medición (60 m) z Altura media del Generador Eólico Velocidad medida por la Provincia Velocidad a 6 m n Rugosidad del terreno (n=0.35) Por lo tanto las velocidades convertidas son: Región I 3.25 m/s Región II 3.50 m/s Región III 3.75 m/s Región IV 4,01 m/s Región V 4.25 m/s PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

35. ETAPAS DEL DISEÑO Las mediciones realizadas y que se muestran en el siguiente gráfico, tienen en cuenta no solo la velocidad del viento que registra el anemómetro sino también el impacto de las ráfagas que aparecen en cada periodo de tiempo (10 minutos que requiere la norma IEC 61400-12-1) de acuerdo a la siguiente expresión: Como puede observarse hay aproximadamente un poco menos de 10 Hs con vientos por encima de los 3 que es la velocidad a la cual el generador entrega energía. PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

36. ETAPAS DEL DISEÑO PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

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39. ETAPAS DEL DISEÑO Los desafíos actuales están centrados fundamentalmente en tres trabajos complementarios: La construcción de un equipo de adquisición de datos (Data Logger) con el objetivo de obtener información sobre parámetros fundamentales para determinar la real performance de este tipo de turbinas: Velocidad instantánea del viento, velocidad de rotación (rpm),Intensidad de corriente y tensión entregada por el generador. Completar la construcción de un nuevo prototipo con perfil optimizado y una potencia de 2.5 a 3 Kw. que debería ser homologado por autoridades competentes. Diseño y construcción de un generador eléctrico con 44 pares de polos(imanes permanentes) para dejar de utilizar los que se emplean en las turbinas de eje horizontal o bien comprar este producto en el exterior. Diseño y construcción de un sistema de balanceo dinámico Diseño de un sistema automático de frenado para evitar daños en la turbina cuando los vientos superen los 25 m/s. PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TURBINAS EÓLICAS DE EJE VERTICAL DE BAJA POTENCIA

40. ETAPAS DEL DISEÑO

41. ASPECTOS ECONÓMICOS DE UNA IMPLEMENTACIÓN CON ENERGÍAS RENOVABLES

42. ASPECTOS ECONOMICOS

43. ASPECTOS ECONOMICOS

44. ASPECTOS ECONOMICOS Como puede verse el aspecto económico es de fundamental importancia en este tipo de proyectos Un camino que parece viable seria que a semejanzas de muchos países de la Unión Europea y la mayoría de los estados de EEUU, las instituciones Nacionales, Provinciales, Municipales y Empresas de Energía subsidien este tipo de emprendimientos familiares. Esto parece fundamental dado el constante avance del consumo eléctrico en los hogares y los retrasos en inversiones en infraestructura en el país.

45. ASPECTOS ECONOMICOS Nuevos requerimientos en el norte del país están orientados a por ejemplo a plantas de bombeo solar y que hoy solamente son alimentadas por sistemas fotovoltaicos. Un ejemplo de estos requerimientos puede verse con claridad en un presupuesto de obra preparado por la Empresa JH Energías Renovables y que corresponde a una extracción de agua a 30 m de profundidad de 53.000 litros/día : Equivale a un generador eólico de eje vertical de 3 Kw. De acuerdo con especificaciones de Grundfos.com

46. Pero el aspecto fundamental y del que hasta ahora no se ha tratado es el de contribuir a la reducción de la emisión de CO2 y por ende no seguir incrementando el calentamiento global