Tesis AEREOGENERADO.pdf

8/17/2019 Tesis AEREOGENERADO.pdf

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UNIVERSIDAD SAN FRANCISCO DE QUITO

Diseño de Prototipo de Aerogenerador con almacenamiento de energa!

monitoreado por "n sistema SCADA

I#$n %ontal#o

&os' Ca(e)as

Tesis de grado presentada como requisito para la obtención del título de Ingeniero

Electrónico y Eléctrico

Quito 16 mayo del 2011


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©Derec*os de a"tor: eg!n la actual "ey de #ropiedad Intelectual$ %rt& ':

(el derec)o de autor nace y se protege por el solo )ec)o de la creación de la

obra$ independientemente de su mérito$ destino o modo de e*presión&&& El

reconocimiento de los derec)os de autor y de los derec)os cone*os no est+

sometido a registro$ depósito$ ni al cumplimiento de ,ormalidad alguna&-

.Ecuador& "ey de #ropiedad Intelectual$ %rt& '/

I+n ontalo$ osé "uis 3abe4as& 2011


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RESU%EN

En este proyecto se pretende )acer un modelo a escala de los aerogeneradores reales$

tomando en cuenta las principales etapas que se encuentran en este tipo de sistemas& %

parte de la generación en sí$ se a incluir un sistema de almacenamiento de energía$dimensionado para una carga eléctrica especí,ica& El proyecto a a contar con un

sistema de optimi4ación en cuanto a la generación$ el cual consiste en ubicar

autom+ticamente el sistema en posición perpendicular a la dirección del iento en

determinado momento&


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A+STRACT

T)is pro5ect aims to mae a scale model o, t)e real 7ind turbines$ taing into account

t)e main p)ases ,ound in t)ese systems& 8eside o, t)e generation itsel, 7ill include an

energy storage system$ designed ,or a speci,ic electrical c)arge& T)e pro5ect 7ill )ae a

system optimi4ation in terms o, generation$ 7)ic) is to locate automatically t)e system

in a perpendicular position to t)e 7ind direction at t)at time&


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iii

Ta(la de contenido

Ta(la de contenido iii

,-

Introd"cci.n 6

/-

O(0eti#os 9 2&1 b5etio ;eneral 9

2&2 b5etios Especí,icos 9

1- %arco Te.rico 10


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4- Pr"e(as 3 %ediciones @1

'&1 #rueba del sensor @1

'&2 #rueba del alternador @1

'&< #rueba con el motor @2

'&D #ruebas con las aspas @D

'&D&1 #rueba sin carga @D

'&D&2 3on doble reducción @6

'&D&< 3on reducción simple @B

'&' #ruebas con el circuito de control B0

'&6 #ruebas con el #"3 B1

5- Concl"siones 3 Recomendaciones B2

6-

+i(liogra7a BD

8- Ane9os B'


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INTRODUCCION

En la antigFedad la energía del iento 5unto con la energía que proeía el agua eran las

!nicas ,uentes de origen no animal utili4adas para la reali4ación de traba5o mec+nico& "a

primera y m+s inmediata ,orma de aproec)amiento de la energía eólica )a sido desde los

tiempos m+s remotos aplicada a la naegaciónG las primeras re,erencias de la utili4ación de

embarcaciones a ela proceden de Egipto '000 aos antes de 3risto& tra ,orma de

aproec)amiento de esta energía ,ueron los molinos de iento que incluso ya e*istían en

8abilonia 1@ siglos antes de &3&G en donde ya se utili4ó molinos accionados por el iento

para regar las llanuras y para la molienda del grano& Estos aparatos ya se trataban de

primitias m+quinas eólicas de rotor ertical con arias palas de madera o caa$ cuyo

moimiento de rotación era comunicado directamente por el e5e a las muelas del molino&

%dem+s en la edad media se comen4ó a e*tender esta tecnología por toda Europa lo cual

permitió su desarrollo&

tro ,actor que permitió el desarrollo de los actuales aerogeneradores ,ue la teoría de la

aerodin+mica que se desarrolló durante las primeras décadas del siglo HH$ permitiendo

comprender la naturale4a y el comportamiento de las ,uer4as que act!an alrededor de las

palas de las turbinas& "os mismos cientí,icos que la desarrollaron para usos aeron+uticos

establecieron los criterios b+sicos que debían cumplir las nueas generaciones de turbinas

eólicas& Esta teoría también demostró que cuanto mayor era la elocidad de rotación menor

importancia tenía el n!mero de palas$ por lo que las turbinas modernas podían incluso


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construirse con una sola pala sin que disminuyera su rendimiento aerodin+mico

signi,icatiamente& % pesar de los es,uer4os reali4ados y de la mayor e,icacia de las nueas

turbinas$ las di,icultades de almacenamiento y las desenta5as propias de la irregularidad de

los ientos ,ueron la causa de que las aplicaciones basadas en el aproec)amiento del

iento como recurso energético continuaran declinando )asta el ,inal de la #rimera ;uerra&

El segundo periodo de desarrollo de la energía eólica comien4a en los aos cincuenta y se

prolonga )asta mediados de los sesenta en que$ acaba perdiendo interés al no resultar sus

precios competitios con los de los combustibles ,ósiles conencionales$ por lo que el ba5o

precio del petróleo$ )asta 19@


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distribución de electricidad muy e*tendidas$ ya que los costes superiores de la energía en

instalaciones pequeas e indiiduales los )acen poco rentables&

"a energía eólica es una de las ,uentes de electricidad con m+s crecimiento actual en el

mercado eléctrico mundial& Estas tendencias de crecimiento de deben a los m!ltiples

bene,icios que est+n asociados con este tipo de ,uente de energía& "a electricidad producida

por medio del iento es considerada (limpia- porque su generación no produce

contaminación alguna o gases de e,ecto inernadero$ es así que$ debido a su casi nulo

impacto ambiental que las energías renoables eólicas est+n en una demanda en

crecimiento& Este tipo de energía es sustentable$ ya que al ser una energía plenamente

renoable es considerada como inagotable por lo que muc)as personas pueden erla como

una inersión estable dentro de la economía energética ya que asegura una rentabilidad a

largo pla4o& %dem+s$ debido a los aances tecnológicos este tipo de energía se )a uelto

económicamente competitia como ,uente generadora de electricidad&


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O+&ETIVOS

O+&ETIVO FINA: DE: PRO;ECTO

3rear un modelo a escala de un generador eólico superisado por un sistema 3%A%$ que

permita la producción y almacenamiento de energía eléctrica para ser aplicada a una carga&

O+&ETIVOS ESPECIFICOS

• 3onstruir una maqueta a escala de iguales características y comportamiento de un

sistema de generación eólica real&

• =eali4ar un sistema 3%A% para el constante monitoreo del proyecto&

• ;enerar su,iciente energía para cargar una batería que pueda ser utili4ada

posteriormente para alimentar una carga&

• %gregar un dispositio de orientación .eleta/ a la góndola del sistema para me5orar

el aproec)amiento del sistema respecto al iento&


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%ARCO TEAS RENOVA+:ES

"as energías renoables son aquellas que se producen de ,orma continua y son inagotables

a escala )umana: solar$ eólica$ )idr+ulica$ biomasa y geotérmica& "as energías renoables

son ,uentes de abastecimiento energético respetuosas con el medio ambiente&

on ,uentes de abastecimiento que respetan el medio ambiente& "o que no signi,ica que no

ocasionen e,ectos negatios sobre el entorno$ pero éstos son in,initamente menores si los

comparamos con los impactos ambientales de las energías conencionales .combustibles

,ósiles: petróleo$ gas y carbónG energía nuclear$ etc&/ y adem+s son casi siempre reersibles&

eg!n un estudio sobre los JImpactos %mbientales de la #roducción de ElectricidadJ$ el

impacto ambiental en la generación de electricidad de las energías conencionales es


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tras enta5as a sealar de las energías renoables son su contribución al equilibrio

territorial$ ya que pueden instalarse en 4onas rurales y aisladas$ y a la disminución de la

dependencia de suministros e*ternos$ ya que las energías renoables son autóctonas$

mientras que los combustibles ,ósiles sólo se encuentran en un n!mero limitado de países&

El sol est+ en el origen de todas las energías renoables& #rooca en la Tierra las di,erencias

de presión que dan origen a los ientos: ,uente de la energía eólicaG ordena el ciclo del

agua$ causa la eaporación que prooca la ,ormación de las nubes y$ por tanto$ las lluias:

,uente de la energía )idr+ulica&

ire a las plantas para su ida y crecimiento: ,uente de la biomasa& Es la ,uente directa de

la energía solar$ tanto la térmica como la ,otooltaica&

1-,-,- Energa Solar

"a energía solar se ,undamenta en el aproec)amiento de la radiación solar para la

obtención de energía que podemos aproec)ar directamente en ,orma de calor o bien

podemos conertir en electricidad&

Calor: la energía solar térmica consiste en el aproec)amiento de la radiación que proiene

del sol$ para la producción de agua caliente$ para consumo doméstico o industrial$

climati4ación de piscinas$ cale,acción de nuestros )ogares$ )oteles$ colegios$ ,+bricas$ etc&

Electricidad: energía solar ,otooltaica permite trans,ormar en electricidad la radiación

solar a traés de unas células ,otooltaicas o placas solares& "a electricidad producida


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puede usarse de manera directa .por e5emplo para sacar agua de un po4o o para regar$

mediante un motor eléctrico/$ o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las

)oras nocturnas& Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general$

obteniendo un importante bene,icio&

"a energía solar ,otooltaica tiene numerosas aplicaciones:

• ?uncionamiento de aparatos de consumo pequeo$ calculadoras$ relo5es$ etc&

•

Electri,icación de iiendas o n!cleos de población aislados&

• eali4aciones terrestres y marítimas&

• 3omunicaciones o iluminación p!blica&

Aurante el presente ao$ el ol arro5ar+ sobre la Tierra cuatro mil eces m+s energía que la

que amos a consumir&

1-,-/ Energa ?idr$"lica

"a energía )idr+ulica tiene su origen en el Jciclo del aguaJ$ generado por el ol$ al eaporar

las aguas de los mares$ lagos$ etc& Esta agua cae en ,orma de lluia y niee sobre la Tierra y

uele )asta el mar$ donde el ciclo se reinicia&

"a energía )idr+ulica se obtiene a partir de la energía potencial asociada a los saltos de agua

y a la di,erencia de alturas entre dos puntos del curso de un río&

"as centrales )idroeléctricas trans,orman en energía eléctrica el moimiento de las turbinas

que se genera al precipitar una masa de agua entre dos puntos a di,erente altura y$ por tanto

a gran elocidad&


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>ay diersos tipos de centrales )idroeléctricas en ,unción de su tamao:

• "as grandes centrales )idroeléctricas&

• "as centrales mini )idr+ulicas o minicentrales& Lstas no requieren grandes embalses

reguladores y por tanto su impacto ambiental es muc)o menor&

1-,-1 Energa E.lica

Mna de las energías renoables m+s competitias es la eólica& "a circulación del iento es

una consecuencia de la radiación solar: el )ec)o de que en distintos puntos de la Tierra

e*istan di,erentes cuotas de insolación prooca la aparición de desequilibrios de

temperatura que )acen ariar la densidad de las masas de aire y$ por consiguiente$ ariar la

presión& El aire$ como cualquier otro gas se moer+ desde las 4onas de alta presión a las de

ba5a presión$ produciendo el iento& in embargo$ no sólo esta ,uer4a proocada por el

gradiente de presión prooca el moimiento del aireG en la circulación de las masas de aire

también in,luye la ,uer4a graitacional$ las ,uer4as de ,ricción que proocan gradientes de

iscosidad y la ,uer4a de 3oriolis& %dem+s$ para de,inir con precisión el régimen de ientos

en un punto también se deben considerar otras ariables como la situación geogr+,ica$ las

características del clima locales$ la topogra,ía de la 4ona$ la orogra,ía del terreno y otros

,actores&

e conoce con el nombre de energía eólica aquella que trans,orma la energía cinética del

iento& "a Tierra recibe una cantidad de energía procedente de la radiación solar y$

,uncionando como si se tratara de una m+quina térmica$ trans,orma este calor solar en

energía mec+nica$ la energía cinética del iento& #ara trans,ormar esta energía cinética en


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energía mec+nica aproec)able se usan multitud de m+quinas eólicas$ que son todas

aquellas m+quinas accionadas por el iento pudiéndose distinguir los aeromotores$ si se usa

directamente la energía mec+nica .bombeo de agua$ p&e&/$ y los aerogeneradores$ si se

acciona un generador eléctrico&

"as m+quinas eólicas deben reposar sobre un soporte que debe resistir el empu5e del iento

y las eentuales ibraciones& #or otra parte$ su altura debe ser su,iciente como para que las

turbulencias debidas al suelo no a,ecten a la m+quina y no se produ4ca una perturbación

locali4ada sobre el régimen de ientos&

El rotor en general$ o la aeroturbina para el caso de un aerogenerador$ es el elemento

principal en el caso de una m+quina eólica& Est+ integrada por un determinado n!mero de

palas y por el mecanismo de paso$ que se utili4a para el control de la elocidad y potencia&

u misión es trans,ormar la energía cinética del iento en energía mec+nica aproec)able&

#ara de,inir totalmente una aeroturbina se deben dar tres par+metros: la elocidad típica$ la

solide4 y el rendimiento& "a elocidad típica es la relación entre la elocidad de la punta de

la pala y la elocidad del iento& "a solide4 de,ine la relación entre la super,icie proyectada

por las palas y la super,icie descrita por las mismas en su moimiento de rotaciónG de este

modo conocemos la e,icacia del material usado y la sencille4 constructia& ?inalmente$ el

rendimiento e*presa la cantidad de energía del iento que se trans,orma en mec+nica en el

e5e de la aeroturbina o rotor&

"os sistemas de orientación son los responsables de conocer la dirección del iento y situar

el rotor en la misma dirección$ de esta ,orma se disminuyen los es,uer4os y las pérdidas de

potencia& "os dispositios de orientación se suelen escoger seg!n la potencia de la


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instalación eólica: en las de pequea y mediana potencia se instala una cola que act!a como

una eleta reorientando el rotor seg!n el iento$ mientras que en las mayores se usan palas

inclinadas ligeramente )acia atr+s$ de tal ,orma que al rotar describan un cono$ cuando el

rotor no est+ orientado las palas que est+n m+s a ,aor del iento reciben un empu5e mayor

deoliendo al rotor a la posición de equilibrio&

"os sistemas de regulación .mecanismos de paso/ controlan la elocidad de rotación

eitando los posibles cambios debidos a las alteraciones en la elocidad del iento& "o m+s

usual es ariar el +ngulo de ataque de las palas$ con lo que se aumenta o se disminuye el

rendimiento aerodin+mico y$ por tanto$ la potencia absorbida& En los aerogeneradores se

debe situar$ como sistema de transmisión$ un multiplicador entre el rotor y el generador&

Esto es así porque no se puede accionar directamente un generador de corriente eléctrica

por culpa de las ba5as elocidades de rotación alcan4adas&

?inalmente$ el sistema de generación$ que est+ constituido normalmente por un alternador y

es el encargado de generar la producción de energía eléctrica& "a energía generada por una

m+quina eólica depende de dos ,actores: primero de la energía disponible en el lugar de

empla4amiento de la m+quina$ representada por la cura de duración anual de ientos de las

di,erentes regiones$ es decir$ e,ectos relacionados con la dispersión$ intermitencia y

aleatoriedad de la energía eólicaG el segundo ,actor es la necesidad de alcan4ar un

determinado umbral de cone*ión$ por deba5o del cual no )ay energía su,iciente para

impulsar el rotor y por tanto la m+quina es incapa4 de suministrar potencia&


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El uso de toda ,uente energética presenta tanto enta5as como desenta5as$ por lo que es

importante$ antes de emprender una utili4ación$ e,ectuar un balance entre los pros y contras

de una u otra posible a utili4ar&

"a energía eólica$ por supuesto$ no puede escapar a esta premisa& 3omo principales

enta5as se pueden mencionar:

• Es inagotable

•

Ko es contaminante

• Es de libre acceso .gratuita/

• e puede aproec)ar en la medida de las necesidades del momento

En cambio las mayores desenta5as indican:

• e encuentra dispersa

• Es intermitente y aleatoria .no continua/

"a condición que se puede considerar normal en la mayor parte del planeta es que las

características del iento no resulten su,icientemente adecuadas para su utili4ación como

,uente energética importante$ salo para aproec)amientos de pequea potencia& Ko

obstante$ e*isten regiones donde las condiciones de ocurrencia del recurso energético son

tales que resultan sumamente enta5osas para su aproec)amiento&

Aesde el punto de ista económico$ a!n cuando la inersión inicial necesaria para la

instalación de los sistemas de captación eólica es mayor que la requerida para un sistema

diesel$ los equipamientos eólicos tienen ba5os costos de mantenimiento$ Jcombustible-


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gratis y una ida !til prolongada .20 aos o m+s/$ lo que les permite competir cada e4 m+s

e,ica4mente con otras ,uentes energéticas&

1-/ FUER@A DE: VIENTO

"os ientos tienen su origen en la di,erencia de temperatura y presión que se produce

cuando el aire caliente sobre la 4ona ecuatorial se muee )acia los trópicos donde se

encuentran los aires m+s ,ríos& 3uando el aire llega a las latitudes de


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?ig&


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= O 3onstante del gas O B$


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1-/-/ Potencia del Viento

Tomando en cuenta una masa de aire m de +rea % y densidad N que se despla4a a una

elocidad & "a masa de aire por unidad de tiempo es mPt O N % y su energía iene dada

por su energía cinética EcO1P2.m 2/& =eempla4ando m en Ec tenemos:

ρ A v v .


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N O Aensidad del aire en gPm<

% O Crea en m2

O Velocidad del iento en mPs

#odemos obserar que la potencia del iento es una ,unción del c$%o de la velocidad G

es decir$ que si la elocidad se duplica$ la potencia es oc)o eces m+s .2*2*2OB/&

Igualmente$ si escribimos el +rea como ,unción del di+metro %O WA2PD podemos er que la

potencia es proporcional al c$adrado del di&metro& %l incrementar el di+metro al doble$ la

potencia es cuatro eces m+s& "a elocidad del iento y el di+metro del rotor son los dos

par+metros que se mane5a en la producción de energía de un aerogenerador&

?ig&


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i toda la energía cinética se conierte en moimiento del rotor el iento se pararía& X$ en

este caso$ Yel aire a dónde se aZ abemos que esto no es posible$ así es que debe )aber un

límite a la cantidad de energía que puede entregarse al rotor$ y iene determinado por la 'e(

de )et* & i en el camino del iento a elocidad 1 se interpone un aerogenerador de

di+metro A$ se produce un ,renado del iento reduciendo su elocidad a 2 ya que el

olumen se debe mantener constante a ambos lados del rotor& El ,lu5o de iento toma una

,orma de botella con la estela o parte m+s anc)a atr+s del rotor& e de,ine un Coe+iciente de

,otencia C , que es una ,unción de .2P 1/$ cuando 3# O 1P< la relación #T P #V es m+*ima

y podemos concluir que la m+*ima potencia que el iento puede entregar a un

aerogenerador de rotor giratorio es 16P2@ o 09 &

"a ecuación de la potencia del aerogenerador es:

%!

% " # $

.


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de iento produce energía mec+nica& i bien los conceptos b+sicos se mantienen$ la

introducción de nueos materiales y tecnologías sumado a un mayor conocimiento e

inestigación del recurso iento$ )an permitido desarrollar aerogeneradores e,icientes y que

producen electricidad a costos competitios comparados con otro tipo de plantas&

3.3.1 Fuerzas sobre la pala

#ara la me5or comprensión de este tema$ se puede comparar a la pala o )élice de un

aerogenerador con el ,uncionamiento del ala de un aión& El ala ,unciona como un ob5eto

resistio al ,lu5o de aire que circula atrees de la misma$ lo que produce una cambio de

elocidad y de presión& El )ec)o de que el diseo del ala presente una ,orma en la que su

+rea in,erior sea m+s pequea que su +rea superior$ permite que la di,erencia de presión que

se produce$ llee a dic)o ob5eto a elearse& Este e,ecto causa que se generen dos tipos de

,uer4as: una ,uer4a resistia] en la misma dirección que el moimiento del iento y una

,uer4a de sustentación]] perpendicular a la dirección del iento$ lo que permite la ,ormación

de una componente resultante de la suma ectorial de las ,uer4as anteriormente

mencionadas&


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?ig&


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&' ("$ # .


29/88

es ,undamental en el ,uncionamiento del aerogenerador debido a que de esto depende la

magnitud de las ,uer4as de resistencia y de sustentación que se generan en el proceso&

Aic)a inclinación se la conoce como el +ngulo de ataque de las aspas del aerogenerador&

Ae acuerdo con el +ngulo de ataque a a depender el comportamiento del sistema$ es así

que e*isten tres posibilidades al momento de posicionar las aspas:

%/ ?uer4a de sustentación .?s/ es mayor a la ,uer4a resistia .?r /

?ig&


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3/ ?uer4a de sustentación .?s/ es menor a la ,uer4a resistia .?r /

?ig& ay que destacar que el +ngulo de ataque se toma con re,erencia a la elocidad resultante o

elocidad relatia del iento .Vr /$ que es la resultante ectorial de la suma de la elocidad

de rotación de las palas .V7/ y la elocidad real del iento .V/&


31/88

?igura


32/88

presencia de la ,uer4a de sustentación generada por la mayor elocidad angular en la punta

de la pala&

?igura


33/88

Aonde:

^ O relación de elocidad de punta$ adimensional

V7 O elocidad de giro del rotor en mPs

= O radio de la pala en m

_ O elocidad angular en radianPsegundo

O elocidad del iento antes .no perturbada/ del rotor en mPs

En la siguiente gr+,ica se presenta la cura de e,iciencia de los di,erentes tipos de

aerogeneradores$ comparadas con la cuera ideal en relación a los alores del coe,iciente de

potencia 3p y la relación de la elocidad de punta ^&

?igura


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3omo se pude er en la gr+,ica anterior$ los aerogeneradores de e5e ertical como el

aonius es el menos e,iciente y ,unciona a elocidades de iento muy ba5asG mientras que$

la cura del aerogenerador con una con,iguración tripala es la que m+s se apro*ima al

comportamiento de la cura ideali4ada y por ende es el m+s e,iciente& #or esta ra4ón$ este

tipo de aerogenerador de tres palas a a ser la base y el que se a a utili4ar para la

reali4ación de este proyecto para tratar de que la e,iciencia del sistema a escala propuesto$

sea la m+s óptima&

>ay que tomar muy encuentra que$ si la elocidad que se produce en el rotor$ la energía

entregada del iento )acia el sistema no es óptima y no se la aproec)a en su totalidadG

aunque si la elocidad del rotor es demasiado grande$ se puede llegar a crear un e,ecto de

barrera que no de5e pasar el ,lu5o de aire$ lo que se constituiría en un problema igual o de

mayor magnitud que el anteriormente mencionado& Estos inconenientes presentes en el

,uncionamiento del rotor se los conoce como la (solide4 del rotor-$ dependiendo ésta de la

elocidad que se genera cuando el rotor ésta en moimiento$ lo que a su e4 depende del

n!mero de palas que se encuentran ligadas al rotor& E*iste una e*presión que nos permite

encontrar el n!mero de palas óptimo para un sistema de generación eólica propuesto$ la

,órmula es la siguiente:

-

. .


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Aebido a que el rotor se encuentra conectado directamente al generador eléctrico$ el rotor

necesita producir un cierto torque para permitir que el generador comience su

,uncionamiento& Es así$ que el alor del torque es otra ariable que se debe tomar muy en

cuenta$ debido a que si no e*iste el su,iciente torque del rotor )acia el generador eléctrico$

éste no generar+ energía eléctrica& "a ,órmula que permite calcula el alor del torque .3 T/

es: /0 2

. .


36/88

3omo es eidente$ el aerogenerador necesita una ,uer4a minima incidente del iento para

producir un torque de arranque en el rotor .cut S in/ y de esta ,orma empe4ar el proceso de

generacion de energía électrica& Mna e4 que el proceso da inicio$ y como se e en la

,ormula de la potencia del iento$ la potencia del aerogenerador comien4a a crecer

directamente proporcional a la elocidad al cubo del iento incidente$ )asta que dic)a

potencia se llega a estabili4ar en su alor nominalG es decir$ el alor nominal de la potencia

del generador& Lste alor nominal de potencia se mantiene )asta llegar a un límite m+*imo

de ,lu5o aire$ conocido como la elocidad de descone*ión o elocidad de corte .cut S out/G

en este punto el aerogenerador necesita ,renado para detener el abastecimiento de energía y

permitir el paso de aire a traés de las palas$ debido a que si se emite este ,énomeno el

e*eso de elocidad angular en el rotor podría generar una pared de aire ante el iento y esto

podría traer complicaciones y daos en el aerogenerador& Mn e5emplo de las curas de

potencia de dos distintos aerogeneradores comerciales se presentan a continuación:

?igura


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En este e5emplo se representa dos generadores distintos que normalmente generan 1$' y

660 & %quí se puede obserar que la elocidad de arranque est+ generalmente entre <

mPs$ esto aplica para todos los equipos que se encuentran en un rango de generación entre

los y & "a potencia nominal generalmente se alcan4a entre los 12 y 1' mPs y para

las elocidades de 2' a


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3uando e*iste un e*ceso de generación de energía debido a un aumento en la elocidad del

iento sobre la elocidad nominal que soporta el sistema$ se puede adaptar un regulador de

carga como protección al sistemaG adem+s$ también como protección es muy com!n el uso

de ,usibles& Mn esquema simple de un sistema de generación eólica se presenta a

continuación:

?igura


39/88

3omo se lo menciono anteriormente$ es muy com!n el uso de sistemas de generación

e*terna ,otooltaicos como una ,orma de complementación del sistema eólico& MK

esquema de éste sistema se presenta a continuación:

?igura


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DESARRO::O DE: PRO;ECTO

2-, DATOS TEORICOS DE: SISTE%A

"os datos presentados a continuación sobre el sistema a desarrollar$ se basan en la

inestigación )ec)a preiamente en el marco teórico& 3abe recalcar que dic)os datos se

obtuieron pensando en el desarrollo del sistema ba5o las condiciones clim+ticas del alle

de 3umbaya&


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?igura D&1&1 3ura #otencia e*traíble del iento

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2000

4000

6000

8000

10000

12000POTENCIA EXTRAIBLE DEL VIENTO

VELOCIDAD DEL VIENTO (km/h)

P O

T E

N C I A

( w a t t s )


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?igura D&1&2 3ura #otencia del aerogenerador ideal

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000POTENCIA DEL AEROGENERADOR IDEAL


P

O

T E

N

C

I A

( w

a t t s )


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?igura D&1&< 3ura #otencia del aerogenerador comercial

2-/ SI%U:ACION DE: CO%PORTA%IENTO DE: SISTE%A

3omo todo proyecto antes de ser reali4ado e implementado$ se necesita saber si su

reali4ación es posible o no& Es por esta ra4ón que para la simulación del aerogeneración se

utili4ó un so,t7are especiali4ado en la simulación de sistemas de energías renoables$

llamado >E=&

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000POTENCIA DEL A EROGENERADOR COMERCIAL


P

O

T

E

N

C

I A

( w

a t t s )


45/88

?igura D&2&1& Elementos que ,orman el sistema a simular&

Aentro de este simulador ,ueron D los par+metros a de,inir$ y estos son:

$ente de viento: >E= usa esta opción para calcular la potencia de la turbina de iento

para cada )ora del ano& e debe ingresar el promedio de la elocidad de iento por cada

mes&

?igura D&2&2& Aatos de ,uente de iento


46/88

"$r%ina de viento a $tili*arse: e elige un tipo de aerogenerador de acuerdo a las

características del mismo y de acuerdo a su cura de potencia$ e incluso el ,abricante&

?igura D&2&


47/88

?igura D&2&D& Aatos de la carga del sistema

)ater2as: e de,inen el tipo y el numero de baterías que se an a utili4ar$ de acuerdo a sus

características y especi,icaciones de uso&

?igura D&2&'& Tipo de batería a usarse .Tro5an/


48/88

Mna e4 que se )a de,inido los par+metros de cada elemento dentro del so,t7are$ se

procede a reali4ar la simulación del mismo& "os datos arro5ados del sistema$ indican que el

proyecto es reali4able&

?igura D&2&6& #roducción eléctrica promedio mensual

?igura D&2&@& Estado de carga de los bancos de baterías


49/88

?igura D&2&B& alida de potencia del aerogenerador

2-1 CREACION ; ACOP:A%IENTO DE :OS E:E%ENTOS

%ECANICOS DE: AERO=ENERADOR

"os aerogeneradores originales$ para su óptimo ,uncionamiento y desarrollo$ necesitan un

cierto n!mero de partes mec+nicas y electrónicas que se acoplen per,ectamente y traba5en

en armonía$ dic)as partes son:

• "a torre: Estructura que soporta la góndola y adem+s es el lugar donde se encuentra

la mayoría de componentes del sistema& Esta estructura permite que las palas estén a

una mayor altura para así poder captar ientos de mayor elocidad y obtener un

mayor rendimiento del aerogenerador&


50/88

• "as palas del rotor: 3omponente mec+nico que debe ser ,abricadas de una material

resistente y liiano para me5orar el ,uncionamiento del aerogenerador$ usualmente

,ibra de idrio$ epo*is$ poliéster o ,ibra de carbono& Aeben contar con un diseo

aerodin+mico que permita ma*imi4ar la captación del iento y transmitir su energía

cinética )acia el bu5e o man4ana&

• ;óndola: Es soporte principal del sistema de generación& e encuentra locali4ado en

la parte superior de la torre y contiene los elementos de generación y control

eléctrico$ transmisión y multiplicación mec+nica$ que a sus es se encuentran

acoplados mediante un rotor desde el bu5e& obre esta también se encuentran

elementos de medición clim+tica que en con5unto ,orman una mini estación

meteorológica& ;eneralmente esta parte del aerogenerador se encuentra ,abricada

por ,ibra de idrio o acero re,or4ado&

• ultiplicador: Elemento mec+nico ,ormado por un con5unto de engrana5es que

permite que el e5e secundario gire a la elocidad de traba5o del generador eléctrico

que generalmente es de entre 20 y 60 eces mayor que la elocidad del e5e

principal$ el cual se encuentra acoplado al bu5e&

• ;enerador eléctrico: m+quina eléctrica encargada de trans,ormar la energía

mec+nica en energía eléctrica&

• 3ontrolador electrónico: Aispositio electrónico que se encarga de leer las

condiciones meteorológicas y controla el mecanismo de orientación de la góndola y

de las aspas&


51/88

En base a las partes mencionadas anteriormente$ a continuación se nombra los componentes

que ,orman parte del proyecto&

• "a torre: Esta a di,erencia de lo anteriormente mencionado$ a a ser una estructura

met+lica cuadrada que a a ser la encargada de soportar todo el peso del sistema

mec+nico y eléctrico del aerogenerador&

• "as palas del rotor: dentro del proyecto de tesis$ las palas ,ueron construidas de un

alma de resina$ a la cual se la cubrió con ,ibra de idrio debido a que este material

cumple con todas las normas de peso que e*ige el aerogenerador$ ya que

generalmente dentro del diseo de un sistema eólico se desprecia el peso de las

aspas es despreciable& También )ay que recalcar que el sistema tripala ,ue elegido

como el m+s óptimo$ en base al aproec)amiento de la energía eólica que este tiene

y lo que se e*plicó de una ,orma m+s tabulada dentro del marco teórico& "as palas

se dispusieron con un +ngulo de ataque de


52/88

• ;óndola: Aentro de este proyecto$ la góndola se encuentra ,orma la parte

mayoritaria de la estructura en general& Esta al igual que la góndola de un

aerogenerador original$ contiene todos los elementos de multiplicación y generación

eléctrica&

?igura& D&


53/88

?igura& D&


54/88

• 3ontrol electrónico: El control del sistema a a ser netamente de posicionamiento&

El control de la posición a a depender de la dirección del iento$ este par+metro a

a ser generado por medio de una eleta acoplada a un potenciómetro y de un

segundo potenciómetro que dar+ la posición de un motor A3& "a relación de los

alores emitidos por ambos potenciómetros y el procesamiento del mismo dentro de

un #"3$ permitir+ controlar el sistema mediante la ariación que su,ra el primer

potenciómetro debido al giro de la eleta por el iento&

?igura& D&


55/88

4.3.1 Pasos de diseño y acoplaiento del sistea

1/ #artiendo de algunos diseos en internet$ ya construidos de eletas$ se pudo

encontrar la ,orma y las dimensiones ideales para el óptimo ,uncionamiento del

dispositio& "as principal norma que tenía que cumplir$ era que la cola de la eleta

tenía que tener una relación mínima de ' a 1 en cuanto al +rea de la punta$ lo que

sería para que la eleta se alinee de una ,orma m+s simple a la dirección del iento

incidente&

2/ ediante el estudio reali4ado y escrito en el marco teórico se pudo disear y

dimensionar las aspas$ cuyo prototipo ,ue construido en madera de balsa en base a

las medidas preiamente establecidas& #artiendo de este modelo$ se procedió a la

construcción de las tres palas en resina y ,ibra de idrio$ materiales sugerido para

estructuras de este tipo debido a su alta resistencia y su liiano peso&


56/88

D/ El soporte principal de toda la estructura consta de una arma4ón met+lica ,ormada

por un par de trapecios unidos por barras laterales en la base& En la parte superior de

esta se adaptaron un par de c)umaceras cuya ,unción es la de unir el e5e principal a

la estructura y permitir que dic)o e5e tenga un libre moimiento rotatorio sin o,recer

resistencia mec+nica alguna& %dem+s dentro de esta arma4ón se colocó otra

distribución de c)umaceras que iban a permitir la implementación de una reducción

de elocidad que se componía de dos etapas&

'/ "a primera etapa de la reducción consta de una polea de aluminio .B pulgadas/

acoplada en el e5e principal que mediante una banda el+stica de trasmisión permitía

el aumento de la elocidad angular del e5e principal sobre otra polea de aluminio .2

pulgadas/ acoplada al segundo e5e& Es decir que en esta primera etapa de reducción

se procedió a multiplicar la elocidad del e5e principal en D eces& #ara la segunda

etapa de reducción se procedió a acoplar una tercera polea .6 pulgadas/ en el

segundo e5e$ por lo que giraba a la misma elocidad recibida por la segunda polea&

Esta tercera polea trans,ería su elocidad mediante una segunda banda de

transmisión al tercer e5e$ que para este caso$ era el rotor correspondiente al

alternador$ el cual ya poseía una polea propia .< pulgadas/& Es decir que para esta

tercera etapa de reducción se multiplicó dos eces la elocidad del segundo e5e&

6/ El !ltimo paso ,ue el a5uste del alternador$ del cual uno de sus e*tremos se

encontraba ,i5o a un e5e acoplado a la estructura principal& Esto permitía el libre

moimiento del alternador respecto al e5e ,i5ado$ lo cual de5aba calibrar la tensión

e*istente en las bandas el+sticas de transmisión& ?inalmente cuando se encontró la

posición óptima del alternador que proporcionaba una tensión inme5orable de las


57/88

bandas el+sticas$ se procedió a la ,i5ación de una segunda barra en la base de la

estructura que su5etaba al alternador en su otro e*tremo$ antes móil&

2-2 DISENO E I%P:E%ENTACION DE :A PARTE E:ECTRICA

4.4.1 Circuito de Control

#ara la implementación de la parte eléctrica se necesitaba disear un circuito que

permita el control de la elocidad y dirección de giro de un motor A3& El rango de

control aría entre elocidad cero y una elocidad m+*ima en ambas direcciones&

Kormalmente se utili4an contactores para cambiar la dirección de rotación del motor

A3$ este control de dirección se lo genera a traés de un cambio de polaridad en el

olta5e de alimentación al motor& "a !nica desenta5a de de este tipo de control$ es que

un s7itc) tiene que ser agregado para cambiar manualmente la polaridad de

alimentación& #ero$ dentro de este traba5o no es !til el uso de un s7itc) ya este no

permite el control de la elocidad ni un cambio de sentido de giro autom+tico& También

)ay que destacar y tener muy en cuenta que no es aconse5able cambiar repentinamente

el sentido de giro del motor$ ya que esto produciría un regreso repentino de la corriente

debido al estrés mec+nico$ lo que podría quemar el motor& El circuito propuesto para

usar en el proyecto resuele estos dos problemas&

"a dirección y la elocidad an a ser controladas con una sola entrada de olta5e

utili4ando una salida analógica de un #"3 .en este caso un modulo analógico em 2


58/88

media$ el motor a a girar en una dirección$ en cambio la entrada es menor a la posición

media$ el motor girara )acia la otra dirección& Teniendo la posición intermedia .


59/88

aunque después de las pruebas ,inales del circuito$ se er+ la necesidad de la

utili4ación de disipadores de calor acoplados a los mos,ets&

4.4.1.2 Control de velocidad del otor #C

"a me5or ,orma que se conoce es mediante la aplicación del olta5e m+*imo en el

motor en pulsos$ lo que se conoce generalmente como # .modulación por anc)o

de pulsos/$ este es el método utili4ado en el circuito& Mn anc)o de pulso m+s largo

generara una mayor elocidad en el motor$ y un anc)o de pulso m+s corto producir+que la elocidad del motor sea menor&

4.4.1.3 Funcionaiento del circuito

Este circuito se lo puede diidir en D etapas para su me5or an+lisis y comprensión:

control del motor$ generador de onda triangular$ comparador de olta5e y puente >&

• 3ontrol del motor: "a onda triangular est+ centrada alrededor del olta5e A3 de

la entrada& Incrementar o disminuir el olta5e de entrada cambia el niel A3 de

la onda triangular en proporción al olta5e de entrada& El primer #%# M1%

est+ con,igurado como un seguidor de olta5e que proee una ba5a impedancia

de salida lo que )ace a este niel de olta5e menos susceptible a posibles e,ectos

de carga por el M18&


60/88

?igura D&D&2 3ontrol del motor

• ;enerador de onda triangular: El ampli,icar M18 est+ con,igurado como un

generador de onda triangular y proee una seal de actiación para loscomparadores de olta5e$ la ,recuencia es apro*imadamente la inersa de la

constante de tiempo de =2 y 31$ 2D'$@ >4 para este caso& El olta5e pico a pico

de la onda triangular generada es menor que la di,erencia que los dos olta5es de

re,erencia$ por lo tanto es imposible que ambos comparadores sean actiados al

mismo tiempo& Ae otro modo los cuatros mos,ets se actiarían y causarían un

cortocircuito que destruiría el circuito&


61/88

?igura D&D&


62/88

?igura D&D&D& 3omparador de olta5e

• #uente >: olo dos de los mos,ets an a estar traba5ando en determinado

momento y an a ,uncionar en pares$ mientras unos de los I=?9'D0 esta

encendido el I=?'D0 opuesto también estar+ encendido$ esto permitir+ el giro

del motor en una direcciónG cuando sean los otros dos mos,ets los que estén

traba5ando el motor girara en sentido contrario&


63/88

?igura D&D&'& #uente >

El diodo A1 proee protección para el controlador$ mientras que las resistencias

=1< y el capacitor 3< ,orman un ,iltro pasa ba5o$ lo que est+ diseado para eitar los

picos que puedan producir los mos,ets&

?igura D&D&6& ?iltro pasa ba5o


64/88

4.4.2 Alternador

El alternador es un aparato que se ocupa de trans,ormar energía mec+nica en eléctrica$ por

lo tanto$ se encarga de abastecer el auto de la energía necesaria para que ,uncione& %l

mismo tiempo que reali4a este proceso de energía$ se preocupa de almacenarla en la batería$

de modo que el e)ículo cuente con la energía necesaria para que ,uncione el sistema

eléctrico mientras el auto se encuentre apagado& Ko obstante$ es indispensable recordar que

el uso prolongado de la batería sin tener el motor del auto encendido$ podría agotar toda la

energía almacenada$ lo que impediría luego que se encienda el motor&

?igura D&D&@ %lternador eléctrico

En el alternador$ el rotor est+ ,ormado por dos pie4as dentadas que se montan sobre el e5e

de rotación con a5uste a presión por lo que girar+n con él& Estas pie4as dentadas abra4an

una bobina central que se alimenta con electricidad desde el sistema a traés de las

escobillas& "as escobillas se desli4an sobre anillos colectores y conducen la electricidad de

e*citación a la bobina central ,ormando un potente electroim+n& Este electroim+n conierte

los JdedosJ de las tapas dentadas del rotor en imanes de polaridad permutada .uno K y el

que le sigue /& i se regula la corriente que circula por las escobillas a la bobina central se


65/88

cambiar+ la potencia del imantado de la bobina y con ello la de los dedos que ,uncionan

como 4apatas polares$ generando mayor o menor olta5e de salida&

Mn dispositio electrónico$ sensa el olta5e de salida y regula esta corriente de manera

autom+tica manteniendo el alor del olta5e de salida en un alor constante con

independencia de la elocidad de rotación& Este dispositio regulador se conoce como

regulador de olta5e y en la gran mayoría de los alternadores est+ incorporado como una

pie4a dentro del propio alternador& El olta5e regulado inducido en las bobinas de estator$ se

conduce a un 5uego de diodos que se encargan de recti,icarlo y así obtener un olta5e$ que

adem+s de constante es de polaridad ,i5a&

"a corriente de e*citación a la bobina del rotor se establece desde la batería de

acumuladores del e)ículo a traés del interruptor de encendido$ de ,orma tal que cuando

se acciona este interruptor para poner en marc)a el e)ículo$ se conecta la corriente de

e*citación al alternador$ y así esté listo a recargar las baterías tan pronto como el motor se

ponga en marc)a&

?igura D&D&B& #artes de un alternador


66/88

#ara el tipo de alternador tri,+sico que se utili4ó dentro del proyecto$ la cura de

,uncionamiento de éste se presenta en la ,igura .D&D&9/

?igura D&D&9 3ura del ,uncionamiento del alternador

2-4 PRO=RA%ACION DE: P:C

3etork 1 (

En estas líneas de código !nicamente se le est+ asignando un espacio de memoria a cada

una de las entradas analógicas del sistema .salidas de los potenciómetros/& Es así que a la

entrada analógica del #"3 .%I0/ que recibe la seal de la eleta$ se guarda en el espacio

de memoria VD00& ientras que la entrada analógica .%I2/ que recibe la seal del

sensor de posición del motor$ se guarda en el espacio de memoria V'00&


67/88

3etork 5asta la

Aentro de estas líneas de programación se )ace una lógica entre la posición de la eleta y la

posición del motor& Esta lógica est+ basada en disminuir lo m+s posible el error e*istente

entre las dos sealesG es decir$ que cuando la di,erencia entre las dos seales sea igual a

cero$ el motor A3 a a estar en la misma dirección que apunta la eleta$ que es lo que se

necesita )acer para el control autom+tico del sistema&


68/88

3etork 5asta la 11

%quí se asigna tres rangos de ,uncionamiento del sistemaG es decir$ el primer rango a a

estar de,inido para cuando el motor se encuentre en una posición menor a la de la eleta$ el

segundo rango est+ de,inido para cuando el motor se encuentre en la misma posición de la

eleta con un error de m+s menos de ' grados$ y el ultimo rango est+ de,inido para una

posición del motor$ mayor a la de la eleta& 3ada rango est+ programado para e5ecutar una

acción que la salida analógica del #"3$ salida que controla el olta5e mandado al motor$

para de esta manera poder controlar el motor y así poder alinear el motor con la eleta&

%dem+s$ cada rango se encuentra direccionado a una salida analógica que encienda un

indicador para poder determinar isualmente que rango es el que est+ ocupando el motor

A3&


69/88

3etorks 1 1 ( 14

En esta parte !nicamente se asigna un olta5e determinado a la salida analógica del #"3$

para de esta ,orma y como se e*plicó en la parte eléctrica del desarrollo del proyecto$ el

circuito de control del motor determina la dirección del motor$ dependiendo de los cambios

de olta5e en la entrada del circuito&

3etork 1

e asigna una memoria$ a una salida analógica del #"3 .entrada del circuito controlador del

motor/&


70/88

3etork 1 5asta la 6

Estas líneas de código !nicamente se implementaron para poder que ,uncionen como

espacios de memoria interno del #"3 .memorias de 1 bit/ y permitir llamar a dic)os

espacios de memoria desde el sistema 3%A% y ,acilitar su implementación&

2-5 SISTE%A DE SUPERVISI


71/88

"a comunicación entre el #"3 y la computadora ,ue establecida por medio de los driers

disponibles en el programa& En este caso$ el drier ,ue el correspondiente al IEEK @S

200 con comunicación ía inter,ace ##I&

ig. 7entana de Drivers de Com$nicaci8n

#ara el proyecto se crearon espacios de memoria en el #"3 que almacenaban la posición

actual de la eleta y la del motor para indicar la dirección a la que estaba cada una& #ara

e,ectos de monitoreo de la dirección$ se asignaron en el #"3 ciertas memorias que

determinaban la posición a la que se encontraba tanto la eleta como la góndola$ para

poderle asignar posiciones determinadas a los límites establecidos en el moimiento& Ae tal

,orma que se estableció una comparación entre la posición actual de la eleta y la góndola$

y los espacios de memoria asignados a ciertos rangos de posición& Estas memorias de

rangos ,ueron tomadas como ariables booleanas dentro del programa de 3%A% para leer

la posición del sensor de dirección de iento y del motor&


72/88

El sistema 3%A% implementado también permite establecer remotamente la posición del

motor deseada& #ara esto$ el programa tiene acceso a una línea de programación del #"3 en

la que puede eniar una seal al motor para que gire a la i4quierda o a la derec)a&

Este sistema también nos permitir+ mantener superisada la carga de la batería y er como

se )a mantenido esta a lo largo del tiempo&

#ara la isuali4ación de lo antes e*plicado$ se crearon tres pantallas& Mna principal$ donde

se puede obserar la posición tanto de la góndola como la de la eleta$ y una secundaria$ enla que es posible er la carga de la batería$ y la tercera y !ltima$ en la cual se puede

establecer desde el mismo programa la dirección en la que se desea que se ubique la

góndola&

ig. 7entana ,rinci#al del CD


73/88

ig. 7entana de es;$ema ( carga de la %ater2a del CD

ig. 7entana de control del motor del CD


74/88

PRUE+AS ; %EDICIONES

$.1 Prueba del sensor

Mna e4 construido el sensor$ éste ,ue sometido a corrientes de iento emitidas por un

entilador de mediana potencia& Aebido al diseo del sensor$ el iento incidente no tiene

que tener mayor ,uer4a para )acer actuar al sensor y posicionarlo de acuerdo a la dirección

del ,lu5o del iento&

$.2 Prueba del alternador

%ntes de someter al alternador a pruebas dentro del sistema real$ se necesitaba comprobar

el correcto ,uncionamiento del mismo dentro del laboratorio& %dem+s$ tomando en cuenta

la gran elocidad angular de entrada que necesitaba el alternador .basados en la cura del

,uncionamiento$ mayor a 1000 rpm/$ ,ue necesario acoplar este dispositio a un torno

mec+nico en el cual se podía obtener el rango de elocidades en las cuales el alternador

comen4aba a generar&

?igura '&1& Esquema del circuito de prueba del alternador


75/88

El circuito que se utili4ó$ se basó en el esquema representado en la ,igura '&1 en la cual se

muestra la utili4ación necesaria de una batería conectada al circuito debido a que sin esta no

se polari4a el estator y por ende el alternador no podría generar debido a la ausencia de un

campo magnético inducido&

?igura '&2& Esquema del circuito de prueba del alternador

Aebido a que el circuito de prueba del alternador presentaba un 'am# "est


76/88

$.3 Pruebas con el otor

?igura '&


77/88

?igura '&D& otor eléctrico A3

$.4 Pruebas de las aspas

$.4.1 %in carga

?igura '&'& %lternador sin carga

Mna e4 acopladas las aspas en la estructura con el e5e primario$ se procedió a medir

la elocidad de giro del e5e primario con un tacómetro$ respecto a la elocidad del

iento& #ara esto se montó a la estructura sobre una camioneta debido a que en el


78/88

laboratorio no era posible generar la cantidad de iento necesaria para que el

aerogenerador entre en ,uncionamiento& "as medidas que se tomaron ,ueron ba5o

circunstancias supuestas idealesG es decir$ que la ía por la que circulaba la

camioneta tenía que ser netamente recta y larga para que no e*istan ientos

incidentes laterales que perturben el desarrollo de la medición del sistema$ ya que en

un aerogenerador real$ el iento incidente siempre se a a tender$ mediante un

sistema de control$ a ser ,rontal a las aspas para que la energía trans,erida sea

m+*ima& "a cura de relación de elocidad angular .medida en rpm/ con respecto a

la elocidad incidente del iento se presenta a continuación:

VE:OCIDAD DE: VIENTO B%?

VE:OCIDAD AN=U:AR DE: E&E

PRINCIPA: RP%

10 DD&1@

20 61&B<


79/88

?igura '&6& =endimiento del sistema .sin carga/

$.4.2 Con doble reducci&n

?igura '&@& istema con doble reducción

%l agregar toda la carga mec+nica al sistemaG es decir$ la doble reducción montada y

la resistencia mec+nica propia que genera el alternador al entrar en ,uncionamiento

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

50

100

150

200

250

300

350

400RENDIMIENTO DEL SISTEMA (SIN CARGA)

V E L O C I D A D

A N G U L A R

( R P M )

VELOCIDAD DEL VIENTO (KM/H)


80/88

debido a que se presenta un campo magnético en el estator& En esta prueba como en

todas las reali4adas para el sistema$ se montó la estructura sobre una camioneta& "os

datos obtenidos se presentan a continuación:

VE:OCIDAD DE: VIENTO B%?

VE:OCIDAD AN=U:AR DE: E&E

PRINCIPA: RP%

10 0

20 0


81/88

?igura '&B& =endimiento del sistema .doble reducción/

$.4.3 Con reducci&n siple

%l reali4ar la prueba anterior y constatar mediante las mediciones obtenidas$ que el

sistema no arro5aba los resultados esperados debido a su alto niel de resistencia

mec+nica$ se procedió a reali4ar un nueo diseo de reducción en el cual se omitía

una de las etapas de reducción para que la resistencia mec+nica disminuya& Este

cambio en la estructura del sistema requería que la polea acoplada al e5e principal$

posea una dimensión D eces mayor que el di+metro de la polea e*istente en el e5e

del alternadosG es decir$ que este nuea polea necesitaba tener un di+metro de 16

pulgadas& "os datos obtenidos con esta con,iguración ,ueron muc)o m+s cercanos a

los esperados$ y estos se presentan a continuación:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

200

300

400

500

600

700RENDIMIENTO DEL SISTEMA (DOBLE REDUCCION)

V E L O C I D A D

A N G U L A R

( R P M )



82/88

VE:OCIDAD DE: VIENTO B%? VE:OCIDAD AN=U:AR DE: E&E

PRINCIPA: RP%

10 0

20 62&


83/88

?igura '&9& =endimiento del sistema .simple reducción/

$.$ Pruebas del circuito de control

e procedió a armar el circuito propuesto en protoboard y para poder probar la

e,ectiidad de este circuito$ la entrada de olta5e ariable ,ue regulada mediante un

potenciómetro en un diisor de olta5e& %dem+s )ay que destacar que el circuito ,ue

probado con un motor A3 pequeo debido a que las líneas del protoboard nosoportarían el ampera5e requerido para actiar el motor que se a a utili4ar en realidad&

"as pruebas que se reali4aron con el circuito y el motor A3 pequeo ,ueron muy

satis,actorias ya que el motor respondía al cambio de elocidad y dirección seg!n la

regulación$ del olta5e de entrada$ que se reali4aba con el potenciómetro&

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

200

400

600

800

1000

1200RENDIMIENTO DEL SISTEMA (SIMPLE REDUCCION)

V E L O C I D A D

A N G U L A R

( R P M )



84/88

$.' Pruebas con el P(C

Mna e4 reali4ada la programación dentro del #"3 se procedió a comprobar la misma

con los elementos$ ya conectados$ de medición real .potenciómetros y circuito

controlador del motor/& El primer inconeniente que se presentó ,ue la no lectura$

dentro del #"3$ de alores arro5ados por los potenciómetros& Esto se debía a que las

tierras tanto de las entradas analógicas del #"3 y la de los sensores de medición$ tenían

que estar conectadas a la misma tierra de la ,uente de generación& %dem+s$ mediante la

tabla de estados$ en donde se registraron las ariables de entradas y de salida

analógicas$ donde se pudo comprobar la lógica inersa que e*iste entre los dos

potenciómetros y que la salida arro5aba alores entre 0S10V seg!n la ariación de la

posición de los sensores&

$.) Pruebas con el sistea de supervisi&n %CA#A

El principal ob5etio con las pruebas con el sistema de superisión 3%A% era que

e*istiese una comunicación correcta entre este y el #"3$ lo cual se pudo comprobar

debido a que se relacionó un cambio de color en un gra,ico dentro de la pantalla del

3%A%$ con la ariación de los alores en la entrada del módulo analógico del #"3&


85/88

CONC:USIONES ; RECO%ENDACIONES

• %unque se logró construir un sistema eólico a escala con iguales características

y comportamiento que un aerogenerador comercial real$ el modelo a escala

nunca a a poder llegar a generar una potencia seme5ante a la de un sistema

real& Esto se debe a que la potencia generada por un aerogenerador es

directamente proporcional al +rea de captación del iento del sistema$ lo cual a

su e4 es directamente proporcional al di+metro de las aspas como se lo indica

la ecuación


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• En la parte mec+nica es muy importante considerar el equilibrio de las ,uer4as

en el sistemas y sobretodo en el mecanismo que ,orman las aspas y el bu5e$ y el

acople del motor de rotación del sistema y la góndola$ para eitar sobrees,uer4os

en el sistema ya que esto podría a,ectar también la parte eléctrica del

aerogenerador&

• % pesar de que todos los aerogeneradores basan su ,uncionamiento en el mismo

principioG es decir$ que poseen la misma disposición estructural& >ay que

recalcar que un mismo aerogenerador no a a tener el mismo comportamiento

en dos lugares di,erentes$ debido a que cada lugar posee características

climatológicas di,erentes& Es por esta ra4ón que se recomienda$ si es posible$

disear un aerogenerador de acuerdo al lugar en donde a a ,uncionar o

conseguir un aerogenerador que se adapte de la me5or manera al sitio de traba5o&

• Aentro de un proceso de automati4ación$ se recomienda siempre el uso de un

sistema 3%A% que se comunique con el #"3$ para poder tener una inter,a4

)ombre m+quina en la que se pueda monitorear las ariables que se mane5an

en el sistemaG y en algunos casos$ se pueda actuar sobre ciertos componentes del

sistema&

• #ara obtener un mayor rendimiento de un sistema eólico a escala como el

reali4ado en este proyecto$ se siguiere reali4ar un me5or estudio aerodin+mico

debido a que este traba5o se centraba m+s en la parte electrónica del

aerogenerador& Es por esta ra4ón$ que al implementar unas aspas que posean un

me5or diseo aerodin+mico$ la captación del iento seria muc)o mayor&


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+I+:IO=RAF>A

• 3)apman$ tep)en& >a;$inas Electricas. >outon: c;ra7>ill$ 19B@.

• Aor,$ =ic)ard$ ames oboda& Circ$itos El?ctricos. @ntrod$cci8n al an&lisis ( diseAo.

é*ico$ A&?: %l,aomega$ 2000&

• Escudero$ osé& >an$al de Energ2a e8lica. adrid: undiS#rensa$ 200oderna. é*ico$ A&?: #renticeS>all$ 199


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ANEOS

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