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i
RESUMEN
Actualmente las turbinas elicas de eje vertical (VAWT por sus
siglas en ingls) no son la solucin preferida para proyectos
energticos a gran escala, sino que las turbinas de eje horizontal
(HAWT) son las utilizadas para este propsito. La explicacin a esto,
en pocas palabras, es que las VAWT tienen una menor eficiencia con
respecto a las HAWT. Esto implica que las VAWT capturan menos
energa por rea barrida y en consecuencia el tamao del rotor y de la
estructura de soporte de las VAWT tiende a ser mayor que de las
HAWT, lo que se traduce en un costo mayor. Sin embargo, las VAWT
contrarrestan en parte esta negativas por que necesitan menos
equipos especializados para su montaje, tienen menores costos de
mantenimiento, son de fcil construccin y por el hecho de que pueden
funcionar con torques ms bajos. Por estas ventajas es que las VAWTs
se presentan como una alternativa a considerar para proyectos
elicos domsticos y a bajas alturas.
El objetivo general de este proyecto es analizar a viabilidad de
implementacin de una turbina elica para sector consumidor en la
regin. Para esto se tendr que desglosar en diferentes sub
objetivos: analizar el viento disponible en zonas geogrficas de
inters, elegir un tipo de VAWT segn los requerimientos especficos,
seleccionar los parmetros de diseo de la turbina, analizar los
costos asociados y entregar consideraciones para la implementacin.
La turbina seleccionada tiene que tener como caractersticas
principales ser de fcil fabricacin y rendimiento aceptable, lo que
implica bajos costo total y una recuperacin de la inversin en un
plazo no muy largo.
La metodologa de trabajo empleada es un anlisis y desarrollo
terico basndose en publicaciones, artculos de internet y
literatura. Como hay muchos apartados en la investigacin se intenta
abarcar cada objetivo de manera concisa pero no demasiado
detallada. De los resultados obtenidos se ve que la turbina debe ir
emplazada a mnimo 5.5 metros de altura en zonas interurbanas y
sobre 26 metros de altura en zonas urbanas. Adems el tamao de
1.8x1.5 metros parece razonable para generar los 220W promedio que
debe lograr para disminuir un 50% de la cuenta de energa elctrica.
El costo de venta y el tiempo de recuperacin de la inversin la
convierten en una opcin muy atractiva. Sin embargo, el usuario
final que no tenga conocimientos puede pensar que este tiempo es
excesivo. Adems, el reducido espacio geogrfico donde puede ser
emplazada la turbina amenazan an ms la viabilidad del proyecto.
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ii
NDICE DE CONTENIDO
CAPTULO 1
...................................................................................................................................
1 Introduccin
..................................................................................................................................
1
1.1 Introduccin
......................................................................................................................................
1 CAPTULO 2
...................................................................................................................................
2 Evaluacin de viento disponible
............................................................................................
2
2.1 rea geogrfica a considerar
.........................................................................................................
2 2.2 Evaluacin del viento en las zonas de inters.
............................................................................
4 2.2.1 Zona urbana
................................................................................................................................................
5 2.2.2 Zonas interurbanas
.................................................................................................................................
8
CAPTULO 3
................................................................................................................................
11 Tipos de VAWT
..........................................................................................................................
11
3.1 Tipos de VAWT
..............................................................................................................................
11 3.1.1 Savonius
....................................................................................................................................................
11 3.1.2 Darrieus
.....................................................................................................................................................
11 3.1.3 Giromill (o H-Rotor)
............................................................................................................................
11 CAPTULO 4
................................................................................................................................
14 Criterios de seleccin
..............................................................................................................
14
4.1 Primera fase de seleccin
..............................................................................................................
14 4.1.1 Material requerido
................................................................................................................................
14 4.1.2 Fabricacin
...............................................................................................................................................
15 4.1.3 Coeficiente de Potencia
.......................................................................................................................
15 4.2 Segunda fase de seleccin
.............................................................................................................
16
CAPTULO 5
................................................................................................................................
17 Parmetros de diseo
.............................................................................................................
17
5.1 Potencia requerida
.........................................................................................................................
17 5.2 Dimetro y altura de la turbina
..................................................................................................
18 5.3 labes
................................................................................................................................................
18 5.3.1 Nmero de labes
.................................................................................................................................
18 5.3.2 Tipo de perfil aerodinmico
.............................................................................................................
19 5.3.3 ngulo de calado
...................................................................................................................................
20 5.3.4 Longitud de cuerda del labe
...........................................................................................................
20
CAPTULO 6
................................................................................................................................
21 Propuestas adicionales
...........................................................................................................
21
6.1 Levitacin magntica
.....................................................................................................................
21 6.2 Combinacin con Savonius
..........................................................................................................
21
CAPTULO 7
................................................................................................................................
23 Consideraciones para la implementacin y costos
....................................................... 23
7.1 Consideraciones
..............................................................................................................................
23 7.1.1 Fabricacin
...............................................................................................................................................
23
-
iii 7.1.2 Altura de implementacin
.................................................................................................................
23 7.1.3 Construccin
............................................................................................................................................
23
7.2 Costos
................................................................................................................................................
23 CAPTULO 8
................................................................................................................................
25 Conclusiones y discusiones
...................................................................................................
25
8.1 Conclusiones
....................................................................................................................................
25 8.2 Discusiones
.......................................................................................................................................
25
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFA
...........................................................................................
26
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iv NOMENCLATURA
A : rea barrida por la turbina ! : Coeficiente de potencia !"#$
: Costo de la turbina y su equipo al consumidor !"#$ : Costo de
produccin de la turbina y su equipo !!!""!: Costo que se ahorra de
energa electrica C : Longitud de cuerda del labe D : Dimetro de la
turbina !"# : Energa consumida al mes H : Altura de la turbina
N!"#$ : Potencia elctrica promedio del un hogar N!"! : Potencia
elctrica que entrega la turbina N!"# : Potencia de la turbina N! :
Potencia disponible en el viento T!"# : Tiempo de recuperacin de la
inversin !"# : Rendimiento de la batera !"# : Rendimiento del
generador !!" : Rendimiento del inversor o alternador !"# :
Rendimiento de la transmisin : Densidad del aire : ngulo de
calado
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1 CAPTULO 1
Introduccin 1.1 Introduccin Los clculos matemticos demuestran
que es fsicamente imposible lograr superar una eficiencia de 59% al
extraer la energa cintica del viento y convertirla en energa
mecnica. La diferencia aproximada entre las eficiencias de las VAWT
y HAWT son del orden de 10-25% aproximados. Para grandes proyectos
elicos cada dcima en la eficiencia es importante para la viabilidad
del mismo y mientras esta diferencia en la eficiencia siga as,
continuar la preferencia por las HAWT. Sin embargo, hay un nicho
donde las VAWT estn floreciendo: sector domstico a bajas alturas.
Las VAWT tienen la particularidad de que son de fcil construccin,
lo que explica en parte su popularidad. Los pro-VAWT alegan que a
bajas alturas las VAWT tienen la ventaja de poder capturar el
viento y remolinos proveniente de distintas direcciones lo que las
hace ms eficientes y los pro-HAWT contraatacan con el hecho de que
a bajas alturas se producen remolinos variables y que en
consecuencia cada labe no est orientado ptimamente a la direccin
del viento. A pesar de los detractores en la actualidad existe una
variada oferta de turbinas elicas pequeas del orden de 500-1000W
siendo algunas VAWT con variadas formas y otras HAWT direccionadas,
pero la mayora de ellas estn en el mercado europeo. Que haya una
gran variedad de formas de las VAWT hace notar el hecho de que an
no se llega a un consenso y madurez sobre este tipo de turbinas y
que la tecnologa puede ser aun mejorada.
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2 CAPTULO 2
Evaluacin de viento disponible 2.1 rea geogrfica a considerar
Para ste estudio se consideran puntos geogrficos importantes dentro
de la regin del Biobo desde los puntos de vista de poblacin
disponible, poder adquisitivo y potenciales compradores. No se
ahondar demasiado en los criterios de seleccin de los puntos y es
bsicamente un filtro general para enfocarse slo en ciertos puntos
de la regin. Desde el punto de vista de poblacin es claro
considerar los puntos urbanos importantes de la regin como lo son
Concepcin, Talcahuano, Hualpn, Chiguayante, San Pedro de la Paz,
Los ngeles y Chilln. Es claro que la energa disponible en el viento
aumenta a medida que se aumenta la altura y tambin a medida que hay
menor cantidad de edificios y grandes construcciones urbanas, sin
embargo, hay que tomarse el tiempo para analizar y cuantificar este
efecto en las ciudades. Es posible implementar la turbina sobre
edificios residenciales en las reas urbanas que podran estar
interesados en reducir costos en energa elctrica de la comunidad
del edificio o para el consumo de algn habitante del edificio en
particular. Es por eso que se considerar el anlisis a diferentes
alturas en estos sectores. Del punto de vista de poder adquisitivo
destacan como alternativas Concepcin, San Pedro de la Paz, Los
ngeles y Chilln; esto debido a su gran cantidad de actividad
productivas primarias, secundarias y terciarias en sus centros
urbanos o alrededores. Para tener una idea de la ubicacin de stas
actividades productivas en la regin se muestran la Figura 1 las
primarias y secundarias, en la Figura 2 las terciarias. Tambin
corresponde considerar otras variables para la seleccin de la zona
a considerar. Por ejemplo, personas que se veran especialmente
interesadas por la turbina seran terratenientes que se localizan
alrededor de los sectores urbanos o tambin pequeos agricultores.
Ambos podran tener inters en reducir costos de energa elctrica y
por lo tanto se debe analizar zonas interurbanas. Tomando en cuenta
todo lo anterior, se decide de analizar:
Las zonas urbanas de Concepcin, San Pedro de la Paz,
Chiguayante, Los ngeles y Chilln.
Las zonas interurbanas que se vean interesantes a partir del
anlisis anterior y de una observacin del mapa de vientos.
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3
Figura 1. Actividades primarias y secundarias en la regin del
Biobo.
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4
Figura 2. Actividades terciarias en la regin del Biobo.
2.2 Evaluacin del viento en las zonas de inters. Para realizar
la evaluacin del viento en cada zona, se utiliza el sitio web del
Explorador de Energa Elica de la Universidad de Chile, el cul
entrega datos muy precisos (comprobados) calculados a partir de
simulaciones numricas con alta resolucin horizontal y vertical.
Este sitio entrega los valores de velocidad media del viento a
alturas aproximadas de 5.5, 16, 26, 37, etc metros (y an ms)
calculados dentro de distintos periodos de tiempo seleccionables
por el usuario que pueden ser a ciertas horas del da, ciertos
meses, o el promedio general. Se divide la evaluacin en zona urbana
e interurbana. Como se busca una fcil implementacin e considera un
anlisis para todas las zonas a los 5.5 metros de altura y en
-
5 las zonas urbanas que hay construcciones residenciales
elevadas, se consideran adems tramos de alturas superiores. El
intervalo de tiempo considerado es el promedio anual, es decir, lo
ms general posible. En la Figura 3 se tiene una vista general de la
distribucin de la velocidad media anual del viento dentro de la
regin a una altura aproximada de 5.5 metros.
Figura 3. Velocidad media anual del viento a 5.5 metros de
altura.
A continuacin se presenta cada zona de inters y se muestra la
velocidad media del viento en un punto central que est incluido
dentro del rea de inters mediante los grficos que genera el sitio
web segn los requerimientos de este estudio ya mencionados
anteriormente. 2.2.1 Zona urbana En las Figuras 4 a 8 se muestra el
viento medio y el detalle mensual para las zonas de Concepcin, San
Pedro de la Paz, Chiguayante, Los ngeles y Chilln respectivamente a
la altura aproximada de 5.5 metros. Adems en la Tabla 1 se detallan
adicionalmente las velocidades medias al ir aumentando la altura en
cada sector.
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6
Figura 4. Viento medio en Concepcin a 5.5 metros de altura.
Figura 5. Viento medio en San Pedro de la Paz a 5.5 metros de
altura.
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7
Figura 6. Viento medio en Chiguayante a 5.5 metros de
altura.
Figura 7. Viento medio en Los ngeles a 5.5 metros de altura.
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8
Figura 8. Viento medio en Chilln a 5.5 metros de altura.
Altura (m) Velocidad media del viento (m/s) Concepcin San Pedro
Chiguayante Los ngeles Chilln
5.5 1.9 2.4 2.1 2.9 2.1
16 3.0 3.5 3.1 4.1 3.2
26 3.6 4.1 3.8 4.7 3.7
37 3.9 4.4 4.1 5.2 4.1
47 4.2 4.7 4.4 5.5 4.4
Tabla 1. Velocidades medias del viento para las zonas urbanas a
diferentes alturas.
2.2.2 Zonas interurbanas Dando un vistazo al mapa general de
velocidades medias del viento a la altura de 5.5 metros (Figura 2)
se pueden notar 2 zonas particularmente interesantes para el
estudio que son el trayecto Los ngeles Nacimiento y la zona sur de
Negrete en donde se observan velocidades medias considerablemente
elevadas. stas 2 reas adems tienen poblacin que podra tener inters
en la turbina. En las Figuras 9 y 10 se muestran las velocidades
medias del viento a la altura de 5.5 metros para las zonas Los
ngeles Nacimiento y Negrete respectivamente. En la Tabla 2 se
muestran los valores a 5.5 y 16 metros de altura.
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9
Figura 9. Viento medio en trayecto Los ngeles - Nacimiento a 5.5
metros de altura.
Figura 10. Viento medio al sur de Negrete a 5.5 metros de
altura.
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10
Altura (m) Velocidad media del viento (m/s) Trayecto Los ngeles
- Nacimiento Al sur de Negrete
5.5 4.0 4.3
16 5.0 5.4
Tabla 2. Velocidades medias del viento para las zonas
interurbanas a diferentes alturas.
Analizando la Tabla 1 se puede notar que las zonas ms apropiadas
para el emplazar la turbina gracias a su calidad de viento son Los
ngeles y San Pedro de la Paz. Cabe destacar que stas aplicaciones
urbanas tienen que ser si o si a grandes alturas (sobre edificios o
construcciones mayores a 26 metros) para asegurar que las
dimensiones de la turbina no sean exageradas. De la Tabla 2 se
puede corroborar que estas zonas son ideales para el emplazamiento
de turbina a bajas alturas y an as tener energa elica disponible.
Los principales interesados seran terratenientes que viven en stas
zonas interurbanas y pequeos productores primarios locales
(agricultores, ganaderos, etc).
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11 CAPTULO 3
Tipos de VAWT 3.1 Tipos de VAWT Es posible calificar a las VAWT
en tres tipos distintos en base a su forma y principios de
funcionamiento: S avonius, Darrieus y Giromill. La eficiencia de la
VAWT puede variar entre un 15% para una muy rudimentaria hasta un
40% para una altamente ajustada y est directamente relacionado con
el tipo de turbina. En este captulo se realiza una definicin
general de cada tipo de VAWT mencionado anteriormente y as tener un
punto de partida para la seleccin de una de ests en el captulo
siguiente. 3.1.1 Savonius Esta turbina fue inventada por Sigurd
Johannes Savonius en el ao 1922. Se caracteriza por ser una turbina
de baja velocidad, alto torque y por funcionar con el principio de
arrastre. El modelo original est compuesto por dos labes curvos que
giran con el eje. 3.1.2 Darrieus Fue ideada por George Darrieus en
el ao 1931. Se caracteriza por ser una turbina de alta velocidad,
bajo torque y por funcionar con el principio de empuje. El diseo
original consiste en dos perfiles aerodinmicos curvos que giran con
el eje. Hay que tener en que cuenta que este tipo de turbina
requiere una partida manual o de otra fuente de energa. 3.1.3
Giromill (o H-Rotor) Tambin puede ser considerada un subtipo de la
Darrieus, tiene los mismos principios de funcionamiento, sin
embargo, la diferencia radica en que la Giromill utiliza perfiles
aerodinmicos rectos y no curvos. Puede tener variado nmero de labes
y lo ms comn es que usen 3 o 5. En la Figura 11 se muestran de
forma grfica los 3 tipos de VAWT mencionados anteriormente:
Giromill, Darrieus y Savonius respectivamente.
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12
Figura 11. De izquierda a derecha: Savonius, Darrieus y Giromill
respectivamente.
Cabe destacar que existen muchas variaciones en los diseos de
VAWT como por ejemplo la Savonius helicoidal e incluso hay algunas
que mezclan 2 tipos distintos como la Darrieus-Savonius, sin
embargo, es muy comn que los fabricantes no entregan datos claros
de las mejoras en la eficiencia que acarrean estos diseos. En las
Figuras 12 y 13 se muestran ejemplos de estas turbinas, aunque no
sern consideradas para el propsito de este estudio por su
complejidad, lo que acarrea mayores costos.
Figura 12. VAWT de la forma Savonius helicoidal.
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13
Figura 13. VAWT estilo Darrieus-Savonius.
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14 CAPTULO 4
Criterios de seleccin 4.1 Primera fase de seleccin En primera
instancia se consideran 3 criterios generales para descartar un
tipo de turbina VAWT de las mencionadas anteriormente en el captulo
3 y as lograr descartar uno de los 3 tipos de turbinas. Los
criterios a tomar en cuenta son: material requerido, fabricacin y
coeficiente de potencia. Para todos estos criterios se considerara
que se utiliza el mismo generador, alternador, eje y se aproxima
tambin que la base de emplazamiento es similar. Por lo tanto las
diferencias son bsicamente en la construccin de la estructura de
los labes y sus uniones con el eje de rotacin de la VAWT. El
material utilizado como estndar para los labes es fibra de vidrio.
4.1.1 Material requerido En la Tabla 3 se muestra la comparacin
entre los 3 tipos de VAWT para el tem de material requerido.
Savonius Darrieus Giromill labes de gran tamao, requieren una gran
cantidad de material.
labes optimizados que requieren bajo volumen de material para su
construccin, sin embargo en la fabricacin se pierde material por la
complejidad de los perfiles.
labes de similar dimensin pero en mayor nmero, requiere mas
material que la Darrieus. Adems la disposicin de estos requiere
soportes adicionales de aluminio para unirlos al eje principal.
Tabla 3. Material requerido para los distintos tipos de
VAWT.
En este apartado se puede considerar que la turbina Savonius
tiene la desventaja comparndola con las otras 2.
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15 4.1.2 Fabricacin En la fabricacin se debe considerar que los
labes tienen que construirse en fibra de vidrio para lograr un bajo
peso y buena resistencia, por lo tanto, el proceso de fabricacin
tiene sus limitantes. En la Tabla 4 se muestra la comparacin entre
los 3 tipos de VAWT para el tem de fabricacin. Savonius Darrieus
Giromill labes con perfiles simples de muy fcil fabricacin y pueden
(a futuro) producirse en serie a bajo costo si se tienen moldes
suficientemente grandes a menos que los labes sean del tipo
helicoidal.
labes de gran complejidad por lo que requiere un proceso de
fabricacin sofisticado que aumenta el costo y dificulta la
produccin en serie.
labes con perfiles aerodinmicos simples de muy fcil fabricacin y
pueden (a futuro) producirse en serie a bajo costo si se tienen
moldes suficientemente grandes.
Tabla 4. Dificultad de fabricacin para los distintos tipos de
VAWT.
En este apartado se puede considerar que la turbina Darrieus
tiene la desventaja con respecto a las otras 2. 4.1.3 Coeficiente
de Potencia El coeficiente de potencia !, que cuantifica la energa
del viento que la turbina transforma en energa mecnica, resulta muy
til a la hora de comparar turbinas elicas y saber cual tiene mayor
eficiencia. En la Tabla 5 se muestra la comparacin entre los 3
tipos de VAWT para el tem de coeficiente de potencia. Savonius
Darrieus Giromill Rendimiento bajo (! inferior a 0.3).
Alto rendimiento (! hasta 0.4) incluso llegando a las cercanas
del rendimiento de las HAWT.
Rendimiento intermedio (! alrededor de los 0.35).
Tabla 5. Comparacin de ! para los distintos tipos de VAWT.
En este apartado se puede considerar que la turbina Savonius
tiene la desventaja con respecto a las otras 2.
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16 Realizando un anlisis de la comparacin, se puede ver que la
ventaja de la turbina tipo Savonius se reduce slo a su fcil
fabricacin y no es comparable en rendimiento a sus contrapartes
VAWT. Por lo tanto, para la aplicacin de este estudio, se descarta.
4.2 Segunda fase de seleccin En segunda instancia se considerarn
varios parmetros para la eleccin entre Darrieus y Giromill que se
muestran en la Tabla 6 a continuacin. Darrieus Giromill Perfil del
labe Complicado Simple Permite control sobre el ngulo de orientacin
No Si Permite uso de cables de sujecin Si Opcional Ruido Moderado
Bajo rea delos labes Grande Moderado Posicin del generador En
tierra En tierra Carga en los labes Baja Moderada Partida automtica
No No Fundaciones Simple Moderada Estructura general Simple Simple
Dificultad de fabricacin Moderada Simple
Tabla 6. Criterios avanzados de comparacin entre Darrieus y
Giromill.
Desde el punto de vista de la aplicacin requerida para el tipo
de turbina a seleccionar, la turbina del tipo H-Rotor se presenta
como la candidata ideal por las siguientes ventajas:
Fcil fabricacin Mayor versatilidad Permite utilizar cables de
sujecin para disminuir las cargas en el eje central Coeficiente de
potencia aceptable Estructura general simple Bajo ruido Tiene como
opcin implementar un sistema para direccionar los labes
Debido a estos factores fundamentales, la VAWT el tipo Giromill
es la que ms se ajusta a los requerimientos de este proyecto.
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17 CAPTULO 5
Parmetros de diseo 5.1 Potencia requerida Un importante factor a
tener en cuenta es la potencia que apuntamos generar con la
turbina. Sabemos que al pblico que apuntamos es el usuario final o
a pequeos productores. De la pgina web dedicada a ERNC llamada
Chile renueva sus energas [www.chilerenuevasusenergias.cl]
obtenemos que el valor del consumo promedio mensual de un hogar
chileno de cuatro personas es de aproximadamente 220 kWh y equivale
aproximadamente a una cuenta de $23.000.- en el momento que se
realiz este estudio. Con estos datos se puede entonces calcular la
potencia promedio consumida por el hogar mediante la ecuacin (1).
!"#$ = !!"# (!"!!"# )!"(!"#!"#)!"( !!"#) (1) Lo que nos da una
potencia promedio !"#$ = 0.306 = 306 . La meta es al menos lograr
una potencia promedio que nos permita ahorrar la mitad de la energa
consumida es decir tenemos que producir una potencia elctrica !"! =
0.5 306 = 153 . Tenemos claro que los rendimientos implicados en la
produccin de la turbina son: !"# = 0.9 !"# = 0.9 !"# = 0.9 !"# =
0.95 Por lo tanto la potencia que tiene que entregar la turbina se
calcula como: !"# = !!"!!!"#!!"#!!"#!!"# (2) Y de la ecuacin (2) se
obtiene que !"# = 221
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18 5.2 Dimetro y altura de la turbina La energa contenida en el
viento se calcula con la ecuacin: ! = !! ! (3)
Y adems se tiene que la ecuacin del coeficiente de potencia es:
! = !!"#!! (4)
Se considera que la turbina tiene un buen diseo, entonces se
asume un ! = 0.35. Del estudio de vientos para las reas de inters
se considera un velocidad del viento medio de 5 m/s. La densidad
del aire se aproxima a = 1.2 !"!! Adems se considera la razn
dimetro-altura !! = 1.2 para mayor estabilidad. Todo esto en la
ecuacin (3) nos da un rea barrida = 8.31 ! Por lo que las
dimensiones de la turbina deben ser dimetro H=1.5m y D=1.8m. 5.3
labes Ya se decidi en el Captulo 4 que la VAWT de estilo Giromill
es la ms adecuada para este proyecto. En la seleccin de esta
turbina se debe tener en cuenta el nmero y forma de los labes. Para
esta seccin se tomarn en cuenta los resultados de un estudio de la
Universidad Ain Shams de Egipto [M. El-Samanoudy et al. 2010] en
donde se realizaron comparaciones entre distintos nmeros de labes,
tipos de perfiles aerodinmicos, ngulos de calado, longitudes de
cuerda de los labes y radios de la turbina. Nos ser particularmente
til para seleccionar rpidamente estos valores y ser considerado el
estudio base de esta seccin. 5.3.1 Nmero de labes Segn el estudio
mencionado anteriormente, el aumento del nmero de labes de una VAWT
Giromill de 2 a 4 presenta un aumento significativo en el
coeficiente de potencia de la turbina. Sin embargo, es comn que las
turbinas Giromill en el comercio usan 5 labes debido a la asimetra
y a que el viento a bajas alturas tiene distintas direcciones, no
direccionado como en el tnel de viento del estudio, por lo que
extrapolaremos y seleccionaremos 5 labes para lograr un incremento
en el coeficiente de potencia. El tipo de turbina se muestra desde
arriba en la Figura 14.
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19
Figura 14. Vista superior de un Giromill de 5 labes
5.3.2 Tipo de perfil aerodinmico El estndar NACA es el que se
usa para normalizar los tipos de perfil aerodinmico. Del estudio
base de esta seccin, en el que se ponen a prueba 3 perfiles
distintos de los cuales se llega a la conclusin de que el ms
adecuado es el perfil tipo NACA 0024 que se muestra en la Figura
15.
Figura 15. Perfil tipo NACA 0024.
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20 5.3.3 ngulo de calado El ngulo de calado es el ngulo entre la
cuerda del labe y el plano de rotacin de la turbina. En el estudio
base, se prob con ngulos de calado variando en desde 0 a 40. Se
concluy que el ngulo de calado de 10 es el que logra el mejor
coeficiente de potencia. En la Figura 16 se puede observar con ms
claridad el ngulo de calado .
Figura 16. ngulos en el labe. 5.3.4 Longitud de cuerda del labe
De un estudio [Andrew Tendai Zhuga et al.] hecho para 2 turbinas
Giromill de 3 y 5 labes se obtiene que para la altura de H=1.5 y
D=1.8m la longitud de cuerda para el labe es de C=0.16m.
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21 CAPTULO 6
Propuestas adicionales 6.1 Levitacin magntica En la actualidad
se est experimentando con el uso de imanes de neodimio para la
construccin de VAWTs que utilizan levitacin magntica en el eje para
disminuir el roce entre partes producido por la fuerza peso de la
estructura y as lograr una mejora en el rendimiento de la turbina.
Esto conlleva a que el torque de roce a vencer sea casi
inexistente. La aplicacin en este proyecto reduce el tiempo de
recuperacin de la inversin por lo que aumenta la viabilidad. En a
Figura 17 se puede observar la separacin entre las bases lograda
gracias a imanes de neodimio en un eje de una VAWT.
Figura 17. Aplicacin de levitacin magntica en un eje de VAWT.
6.2 Combinacin con Savonius Sabemos que el principal problema de
una turbina Giromill es que su partida no es automtica hasta que
alcanza altas velocidades. Una turbina de arrastre como la Savonius
no posee este problema, por lo que surge la idea de considerar una
combinacin entre
-
22 ambas para que a bajas velocidades la Savonius logre hacer
girar el eje. Una aplicacin de esto se puede observar en el diseo
de la Figura 18.
Figura 18. Combinacin Savonius-Giromill.
Puede parecer una idea especatacular, sin embargo, la caminacin
de ambas puede no ser positiva para el rendimiento de la turbina y
el costo y peso aumenta considerablemente por el material
extra.
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23
CAPTULO 7
Consideraciones para la implementacin y costos 7.1
Consideraciones Para a implementacin se tendrn en consideracin los
siguientes puntos: 7.1.1 Fabricacin Para obtener el costo ms bajo
posible, se decide pedir toda la turbina y sus componentes a China
(labes, generador, inversor, controlador, etc). El generador debe
ser mnimo de 300W para que soporte los periodos de sobrecarga
elica. 7.1.2 Altura de implementacin De los datos obtenidos en el
anlisis del viento por zona, podemos recomendar:
Para zonas urbanas como San Pedro y Los ngeles, el emplazamiento
debera ser mnimo a una altura de 26 metros para lograr obtener una
velocidad media que permita generar la potencia necesaria. Esto
implica que la turbina solo es viable sobre construcciones altas
mayores a 10 pisos en las zonas urbanas.
Para las zonas interurbanas en cuestin, la altura de
emplazamiento de la turbina debera ser mnimo de 5.5 metros, por lo
que puede ser ubicada en los techos de casas, graneros, etc.
7.1.3 Construccin El armado y puesta en marcha de la turbina
puede ser hecho por algn tcnico o ingeniero mecnico-elctrico.
Adems, para lugares donde el viento vara mucho y se generan fuerzas
que tienden a mover la turbina horizontalmente, se deben aplicar
cables de sujecin a tierra. 7.2 Costos Considerando que el equipo
completo ser pedido a China, se hizo una cotizacin en la pgina web
de proveedores Alibaba en donde se consigue el mejor precio (al por
mayor) de todo el equipo necesario de 700 $US por equipo. Adems hay
que consideracin los
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24 impuestos de importacin de 31% aproximadamente, IVA de 19% y
una comisin de venta de 20%. Por lo tanto el precio al consumidor
final sera de: !"#$ = !"#$ = 1310 $ = $733.500 Ahora, recordando
que queremos un ahorro de 50% de la cuenta elctrica que equivale a
$11.500, se puede calcular el periodo de recuperacin de la inversin
como: !"# = !"#$ [$]!!!""![ $] 12[] = 5.3 Por lo la inversin debera
ser recuperada en 5 aos y 4 meses aproximadamente.
-
25 CAPTULO 8
Conclusiones y discusiones 8.1 Conclusiones La turbina elica de
eje vertical seleccionada es de muy fcil fabricacin e
implementacin. Adems el tiempo de recuperacin de la inversin
considerado es relativamente bajo para los estndares de energa
elica. Esto conjuntamente logra que sea una oferta atractiva para
el consumidor mientras cada vez se van instruyendo en las energas
renovables no convencionales. 8.2 Discusiones El tiempo de
recuperacin de la inversin dio un valor que puede estar errado ya
que los proyectos elicos a mayor escala y con HAWT (generalmente de
mucho mayor eficiencia) presentan un promedio de recuperacin mayor.
Esto puede deberse a que el valor cotizado en China con el
proveedor puede no estar entregndome los requisitos que yo cotic,
es decir, puede haber estado inflando las capacidades de su
turbina. Adems no se consider los costos de instalacin y
mantenimiento en el clculo de la recuperacin. Puede que aunque para
un ingeniero parezca bajo el tiempo de recuperacin de la inversin,
para el tpico consumidor final un tiempo de mas de 5 aos puede
parecer algo excesivo y por lo tanto no estara dispuesto a
invertir. Una solucin es que el gobierno comience a subsidiar los
proyectos de ERNC a nivel de consumidor. Hay pocas ubicaciones
geogrficas que cumplen con los requisitos para la implementacin, lo
que reduce mucho el nicho de mercado al cual estara enfocada la
turbina.
-
26
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFA Sandra Eriksson, et al. (2006)
Evaluation of different turbine concepts for wind power Swedish
Centre for Renewable Electric Energy Conversion, Division for
Electricity and Lightning Research, Sweden. M. El-Samanoudy et al.
(2010) Effect of some design parameters on the performance of a
Giromill vertical axis wind turbine. Andrew Tendai Zhuga et al.
Design of Alternative Energy Systems: A Self-Starting Vertical Axis
Wind Turbine for Stand-Alone Applications (charging batteries)
Chinhoyi University of Technology, P. Bag 7724, Chinhoyi,
ZIMBABWE.