Programa de investigación






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uncp

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

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MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS

CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM

MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA


Programa de investigación:

Energías Renovables

Línea de investigación:

Diseño y construcción del sistema de captación de un aerogenerador
Presentado por:

Mario Alfonso Arellano Vilchez
Huancayo-05 de enero de 2012

ÍNDICE


1ANTECEDENTES 3

2JUSTIFICACIÓN 4

El presente trabajo se enfocará a sectores de la población de escasos recursos, que se ubican en zonas aisladas del Valle del Mantaro con potencial eólico y que no pueden acceder fácilmente a la energía eléctrica; ya sea por ubicarse en un entorno de difícil acceso y condiciones extremas, o por su situación socioeconómica; por ello, la solución propuesta en el presente trabajo de investigación va dirigido principalmente a suplir las necesidades de esos sectores de la región, que por su situación geográfica, económica y/o social, no tienen acceso a la energía eléctrica suficiente para un adecuado desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida. 4

Es importante resaltar también el hecho de que la creciente demanda de energía eléctrica, cada vez más indispensable en todas las actividades humanas, hace necesario buscar nuevas formas de satisfacerla, con la desventaja de que actualmente gran parte de esta generación resulta ineficiente, pues no se toman en cuenta factores ambientales necesarios para el desarrollo humano, por lo cual, la potenciación de energías renovables que no afecten el entorno es crucial en la generación energética en el presente siglo. 4

Es por dichos motivos que se plantea realizar un proyecto que permita soluciones prácticas de acorde a la zona, aprovechar los vientos locales, por medio del diseño de “aerogeneradores de baja potencia”, que buscan en primera instancia apoyar a sectores desfavorecidos de la región central. 4

3OBJETIVOS Y METAS 5

3.1Objetivo general 5

3.2Objetivos específicos 5

3.3Metas 5

4AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES 5

a)Caja negra del sistema de generación eólica 5

b)Matriz de funciones 6

c)Síntesis de funciones 7

d) Caja blanca del sistema de generación eólico 7

4.1Políticas de investigación 8

4.2Programa de investigación 8

4.3Línea de investigación 9

a)Caja negra del sistema de captación 9

b)Matriz de funciones del sistema de captación 9

c)Síntesis de funciones del sistema de captación 9

d)Caja blanca del sistema de captación 10

4.3.1Denominación 10

4.3.2Objetivo 10

4.3.3Problemas 10

5CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 11

6FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO 11

7SOPORTE 12

7.1Capital humano 12

7.2Materiales, equipamiento e instrumentos 14

8PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN 14

9REFERENCIA BIBLIOGRAFICA 16

ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS 17




1ANTECEDENTES


En la universidad de Chile en la facultad de ciencias físicas y matemáticas del departamento de ingeniería eléctrica se desarrollo el trabajo de tesis denominado “Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de eje vertical” elaborado por “Antezana Núñez, Juan Cristóbal”, quien investigó para titularse como ingeniero Civil Electricista el año 2004, y de cuyo trabajo consiste en lo siguiente: “Diseño e implementación de un prototipo de aerogenerador de eje vertical para abastecer de energía eléctrica a pequeños consumos en zonas aisladas de la red”. Tuvo como propósito de aprovechar el recurso eólico, práctico poco habitual considerando el potencial energético que posee Chile.

Así mismo en la Universidad de Zaragoza España en la tesis “Diseño y Construcción de un aerogenerador de 100 W para su aplicación de zonas indígenas de México”, cuyo autor es: “Pérez Ramiro Rodrigo” quien investigó para titularse como Master Europeo en energías renovables en el ano 2006, de cuyo trabajo tuvo como objetivo principal “desarrollar la tecnología de diseño, fabricación e instalación de aerogeneradores pequeños para el cargado de baterías, para el desarrollo de este generador se tomó como base el diseño realizado por ITDG Perú y HUGG Piggot para lo cual fue necesario evaluar también las condiciones energéticas eólicas del lugar con el fin de conocer los parámetros característicos del viento”.


2JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo se enfocará a sectores de la población de escasos recursos, que se ubican en zonas aisladas del Valle del Mantaro con potencial eólico y que no pueden acceder fácilmente a la energía eléctrica; ya sea por ubicarse en un entorno de difícil acceso y condiciones extremas, o por su situación socioeconómica; por ello, la solución propuesta en el presente trabajo de investigación va dirigido principalmente a suplir las necesidades de esos sectores de la región, que por su situación geográfica, económica y/o social, no tienen acceso a la energía eléctrica suficiente para un adecuado desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida.

Es importante resaltar también el hecho de que la creciente demanda de energía eléctrica, cada vez más indispensable en todas las actividades humanas, hace necesario buscar nuevas formas de satisfacerla, con la desventaja de que actualmente gran parte de esta generación resulta ineficiente, pues no se toman en cuenta factores ambientales necesarios para el desarrollo humano, por lo cual, la potenciación de energías renovables que no afecten el entorno es crucial en la generación energética en el presente siglo.

Es por dichos motivos que se plantea realizar un proyecto que permita soluciones prácticas de acorde a la zona, aprovechar los vientos locales, por medio del diseño de “aerogeneradores de baja potencia”, que buscan en primera instancia apoyar a sectores desfavorecidos de la región central.

3OBJETIVOS Y METAS

3.1Objetivo general


Obtener energía eléctrica de baja potencia en zonas aisladas del valle del Mantaro mediante un sistema de generación eólica.

3.2Objetivos específicos


  • Estudiar el potencial eólico de las zonas aisladas del valle del Mantaro.

  • Diseñar los componentes del sistema de generación eólica.

  • Aplicar el sistema de generación eólica de baja potencia en una zona aislada del valle del Mantaro.

3.3Metas


Diseñar y construir un prototipo de un sistema de generación eólica de baja potencia para suministrar energía eléctrica a una zona aislada del valle del Mantaro.

4AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES

  1. Caja negra del sistema de generación eólica



SISTEMA DE GENERACIÓN EÓLICA
Energía eléctrica

Variable

Independiente

Variable

Dependiente

Energía

Cinética del viento
Figura. 4.1: Caja negra del sistema de generación eólico

  1. Matriz de funciones


Tabla 1.1: Elementos y funciones del sistema de generación eólica

ELEMENTO

FUNCIÓN

Rotor

Convierte la fuerza del viento en el par necesario para generar la potencia útil.

Palas

Captar la energía dinámica absoluta para convertir en un movimiento rotacional.

Bujes

Sirve de acoplamiento entre la pala y el rotor

Árbol de baja velocidad

Transfiere el par torsor desde el rotor al resto del tren de potencia.

Acoplamiento

Tiene como función conectar los árboles

Freno

Reduce las revoluciones del rotor cuando es necesario. Actúa cuando la velocidad del viento es demasiado alta, y existe el riesgo de rotura del rotor o las aspas. Está gobernado por el controlador.

Caja multiplicadora de engranajes

Tiene como función adaptar la baja velocidad del eje del rotor a las mayores velocidades de operación del generador eléctrico.

Árbol de alta velocidad

Tramsitir el par del rotor para una velocidad de rotación alta del generador.

Generador asíncrono

Produce energía eléctrica en el estator, cuando la velocidad de giro de su rotor, impulsado por el eje de alta, es superior a la velocidad de giro del campo magnético de excitación creado por el estator.

Generador síncrono

Convierte la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.

Motoreductor

Se encarga hacer girar la corona de orientación según la dirección del viento. Este mecanismo está gobernado en todo momento por el controlador.

Veleta

Detecta la dirección en la que sopla el viento. Este aparato la manda los datos al controlador, para que este actúe sobre el motor de orientación en consecuencia.

Sensores

Captan señales sobre los parámetros de operación del sistema.

Acondicionador de señal

Chequean la velocidad y la dirección del viento.

Torre

Elevar el rotor de la maquina respecto del nivel del suelo.

Góndola

Proteger de los agentes atmosféricos.


  1. Síntesis de funciones


Tabla 1.2: Síntesis de funciones

Elementos

Esencial

No esencial

Rotor

X




Palas

X




Bujes

X




Árbol de baja velocidad







Acoplamiento

X




Freno

X




Caja multiplicadora de engranajes

X




Árbol de alta velocidad

X




Generador asíncrono

X




Generador síncrono

X




Motoreductor

X




Veleta

X




Sensores




X

Acondicionador de señal




X

Torre




X

Góndola




X



  1. Caja blanca del sistema de generación eólico




Soporte




+

+




+




+

Generación eléctrica

Energía eléctrica

Energía cinética

del viento

+

Captacion

Transmisión Mecánica




+

+

+

+




Regulación y control




+

Orientación



Figura. 4.2: Caja blanca del sistema de generación eólico

4.1Políticas de investigación


  1. Los proyectos de investigación deben resolver problemas de generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía eólica, de acuerdo a las líneas de investigación sugeridas para los programas de estudio de postgrado que financia el MINEM (CARALEC).

  2. Para resolver problemas de falta de energía en zonas rurales aisladas, para mejorar la calidad de vida de los pobladores.

  3. Los integrantes del equipo de investigación de sistema de generación eólica ejecutarán el proceso de investigación durante el desarrollo de estudios concluyendo al finalizar el último semestre con la sustentación del borrador de tesis.

  4. Las actividades de investigación han de efectuarse en zonas rurales aisladas de la región, y en la UNCP.

  5. Los proyectos de investigación utilizarán el método científico y el enfoque sistémico.

  6. Los proyectos de investigación requieren de la construcción de modelos y prototipos

  7. La investigación será compartida entre los integrantes del equipo de investigación, la comunidad beneficiaria así como expertos en el tema a quienes se recurrirá a través de consultas oportunas.

4.2Programa de investigación


Energías renovables

4.3Línea de investigación


Diseño y construcción del sistema de captación de un aerogenerador.
  1. Caja negra del sistema de captación



SISTEMA DE CAPTACIÓN
Energía mecánica

Variable

Independiente

Variable

Dependiente

Energía

Cinética del viento
Figura. 4.3: Caja negra del sistema de captación
Salidas:

Información: Torque de baja rpm

Energía: Energía mecánica

Materia: ninguno
Entradas:

Información: limite de Betz

Energía: Energía cinética del viento

Materia: ninguno

  1. Matriz de funciones del sistema de captación


Tabla 4.1: Atributos y funciones del sistema de captación

Atributo

FUNCIÓN

Difusor

Exceder el Límite de Betz para un aprovechamiento mejor de la energía cinética del viento

Palas

Captar la energía dinámica absoluta para convertir en un movimiento rotacional.


  1. Síntesis de funciones del sistema de captación


Tabla 4.2: Síntesis de funciones

Elementos

Primario

Secundario

Difusor

X




Palas

X



  1. Caja blanca del sistema de captación




Difusor

Tamaño de las palas

Número de palas

Energía cinética

del viento

Energía Mecánica optima obtenida del viento

Diseño de la forma de las palas

+

+

+

Figura. 4.4: Caja blanca del sistema de captación

4.3.1Denominación


Sistema de captación eleoeléctrica para obtener energía mecánica.

4.3.2Objetivo


Diseñar y construir los componentes de un sistema de captación del sistema de generación eólica para obtener una energía mecánica óptima.

4.3.3Problemas





PROBLEMA

PROBLEMAS

Descriptivo

¿Cuáles son las características del difusor y del diseño de las palas que permite lograr una energía mecánica optima?

Explicativo

¿Cómo se relacionan el difusor y las palas para lograr una energía mecánica optima?

Experimental

¿Qué pasa con la energía mecánica si se modifica la estructura del difusor y las pala?

Aplicada

¿Cómo combinar las formas o estructuras del difusor y las palas para mejorar la energía mecánica de rotación en el rotor de un aerogenerador?


5CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES





ACTIVIDAD

2011


2012


2012

2013

I SEMESTRE

II SEMESTRE

III SEMESTRE

IV SEMESTRE

D

E

F

M

A

M

J

J


A

S

O

N

D

E

F

M

Sistema problemático

x

x

x

x





































Presentación e inscripción del plan de tesis













x

x

x


x


























Desarrollo de la tesis

























x

x

x

x

x

x







Presentación y pre sustentación de borrador de tesis





































x

x

x

x

6FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO


Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio; Castro Gil Manuel-Alonso (2009), señalan que un sistema de generación eólica está compuesto por seis subsistemas, que son:

  1. Subsistema de captación:

  2. Subsistema de transmisión mecánica

  3. Subsistema de generación eléctrica

  4. Subsistema de orientación

  5. Subsistema de regulación

  6. Subsistema de soporte.

Dichos autores también indican que un sistema de captación para generación de potencia en sistema eólico esta formado por un rotor que tiene como componente principal las palas en donde incide la masa del aire en movimiento en forma de energía cinética transformando en energía mecánica manifestándose como un torque en el eje del aerogenerador.

Oscar Alfredo Jaramillo salgado (2010), da a conocer que es posible exceder el límite de Betz colocando una turbina eólica en el difusor. Si el corte transversal del difusor se asemeja a un perfil aerodinámico, una fuerza de sustentación se generara por el flujo a través de la pantalla elevándose de esta manera el coeficiente de energía.

7SOPORTE

7.1Capital humano


El equipo de trabajo para el estudio y ejecución del presente trabajo de investigación está constituído:


NOMBRES Y APELLIDOS

OBLIGACIONES

CAPITAL HUMANO

APORTE AL TRABAJO

Mario Arellano Vílchez

Responsable

Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCP

Dictado de asignaturas: Análisis matemático

Estudio de Maestría: Administración mención informática para la gestión

Estudio de Doctorado: Tecnología energética

Análisis y diseño en el sistema de captación con difusor


Raúl Mayco Chávez

Colaborador

Profesor Principal adscrito FIM-UNCP

Dictado de asignaturas: Termodinámica, Centrales hidroeléctricas, centrales termo-hidráulicas.

Estudio de Maestría: Tecnología energética

Análisis y diseño en el sistema de transmisión

Edmundo Muñico Casas

Colaborador

Profesor Asociado adscrito FIM-UNCP

Dictado de asignaturas: Mecánica de fluidos, turbo maquinas, termodinámica, energías no convencionales, centrales termohidráulicas

Estudio de Maestría: Desarrollo Rural sostenible

Análisis y diseño en el sistema de captación sin difusor


Rolando Montalván Lozano

Colaborador

Profesor Asociado adscrito FIM-UNCP

Dictado de asignaturas: Maquinas eléctricas, electrónica

Estudio de Maestría: Administración Finanzas

Estudio de Doctorado: Ingeniería eléctrica

Análisis y diseño en el sistema del generador eléctrico


Arturo Gamarra Moreno

Colaborador

Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCP

Dictado de asignaturas: Matemática básica

Estudio de Maestría: Administración mención informática para la gestión

Estudio de Doctorado: Sistemas

Análisis y diseño del sistema de transmisión directo

Armando Calcina Sotelo

Colaborador

Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCP

Dictado de asignaturas: Motores de combustión interna

Estudio de Maestría: Ciencias energéticas con mención en gas natural

Análisis y diseño en el sistema del regulación y control




7.2Materiales, equipamiento e instrumentos



Materiales

  • Fibra de vidrío

  • Madera

  • Sensores y otros elementos electrónicos

  • Imanes permanentes

  • Rodamientos


Equipos e Instrumentos

  • Anemómetro

  • Ordenador

  • GPS

  • Tacómetro

  • Voltímetro


8PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN


Considerando en este caso la siguiente línea de investigación: Diseño y construcción del sistema de captación de un aerogenerador; se requiera evaluar la investigación según el siguiente diagrama de flujo:


9REFERENCIA BIBLIOGRAFICA



Antezana Núñez, Juan Cristobal. Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de eje vertical. Tesis de grado. Chile: Universidad de Chile 2004.

Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio; Castro Gil Manuel-Alonso. Centrales de Energías renovables. Generación eléctrica con energías renovables. Madrid, España: Pearson Educación S.A. 2009.

Cadiz, Juan, Ramos, Juan. La energía eólica. España: Hermann Blume, 1984.
Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, diciembre de 2011.

Espinoza Montes, Ciro. Metodología de investigación tecnológica. Pensando en sistemas. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, marzo de 2010.

Oscar Alfredo Jaramillo salgado. Tendencias tecnológicas y aplicaciones de la energía eólica para la generación eléctrica; 2010. URL disponible en: http://www.olade.org/en/product/CAPEV/programs-virtual-courses/tendencias-tecnologicas-y-aplicaciones-de-la-energia-eolica

Pérez Ramiro Rodrigo. Diseño y Construcción de un aerogenerador de 100 W para su aplicación de zonas indígenas de México. Tesis de Maestría. España: Universidad de Zaragoza; 2006.


ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS


UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

MAESTRIA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA

APELLIDOS Y NOMBRES DEL MAESTRANDO

Arellano Vilchez Mario Alfonso_______________________________________

LINEA DE INVESTIGACIÓN

Diseño y construcción del sistema de captación de un aerogenerador________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

TEMA DE TESIS

Sistema de captación para aumentar la energía mecánica de rotación del rotor de un aerogenerador_____________________________________________

_______________________________________________________________
PROBLEMA

¿Cómo combinar las formas o estructuras del difusor y las palas para mejorar la energía mecánica de rotación en el rotor de un aerogenerador?___________

_______________________________________________________________



__________________________

Tesista

__________________________

V°B° Docente

__________________________

V°B° Director de la UPGFIM

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