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 transmisión mecánica de un aerogenerador
Presentado por:

Raúl Jorge Mayco Chávez

Huancayo-05 de enero de 2012

ÍNDICE


1ANTECEDENTES 3

2JUSTIFICACIÓN 5

3OBJETIVOS Y METAS 7

3.1Objetivo general 7

3.2Objetivos específicos 7

3.3Metas 7

4AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES 7

a)Caja negra del sistema de generación eólica 7

b)Matriz de funciones 8

c)Síntesis de funciones 9

d)Caja blanca del grupo 9

4.1Políticas de investigación 9

4.2Programa de investigación 11

4.3Línea de investigación 11

a)Caja negra del sistema de transmisión mecánica 11

b)Matriz de funciones del sistema de transmisión mecánica 11

c)Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica 11

d)Caja blanca del sistema de transmisión mecánica 12

4.3.1Denominación 12

4.3.2Objetivo 12

4.3.3Problemas 12

5CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 13

6FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO 13

7SOPORTE 14

7.1Capital humano 14

7.2Materiales, equipamiento e instrumentos 16

8PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN 16

9REFERENCIA BIBLIOGRAFICA 18

ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS 19




1ANTECEDENTES


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

De igual forma 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 Máster Europeo en energías renovables durante el año 2006, 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”.

También En la Universidad de Chile se encuentra la memoria, titulada “Diseño de aerogeneradores con imanes permanentes para su utilización en electrificación rural”, cuyo autor es: Baillarie Rosenmann Paul, quien presentó y sustentó para optar el título de Ingeniero Civil Electricista en el año 2007, de cuyo trabajo de investigación se deduce la siguiente conclusión final: “una alternativa factible para solucionar la carencia de abastecimiento en zonas aisladas de dicho país es el aprovechamiento de la energía eólica, por lo que se logró diseñar una máquina de generación eólica capaz de entregar 40,65 MWh anuales. En dicho trabajo además se expone el completo procedimiento necesario para la realización del diseño de un generador síncrono de imanes permanentes, acompañado de las consideraciones de diseño necesarias para su utilización en una turbina eólica. También se aborda el problema de abastecimiento de energía eléctrica en zonas rurales, para lo cual se realizó estudios climáticos y de consumo eléctrico en una localidad, con lo que se pudo aplicar la solución propuesta, un aerogenerador de flujo axial de imanes permanentes como fuente de generación de energía eléctrica, presentando un procedimiento para la creación y evaluación de este tipo de proyectos.”

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 solución es prácticas de acorde a la zona, aprovechando 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 del Perú.

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 de baja potencia.

  • Aplicar el sistema degeneración 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. 1.1: Caja negra del sistema de generación eólico

  1. Matriz de funciones


Tabla 1.1: Elementosy 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 grupo




Soporte




+

+




+




+

Generación eléctrica

Energía eléctrica

Energía cinética

del viento

+

Captacion

Transmisión Mecánica




+

+

+

+




Regulación y control




+

Orientación



Figura. 1.2: Caja blanca del sistema de generación eólico

4.1Políticas de investigación


Las políticas propuestas para el presente trabajo de investigación se detallan a continuación:

  • 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).

  • La investigación en este caso es necesaria para resolver problemas de falta de energía en zonas rurales aisladas, para mejorar la calidad de vida de los pobladores.

  • 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.

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

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

  • Los proyectos de investigación requieren de la construcción de modelos y prototipos

  • 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

  1. Caja negra del sistema de transmisión mecánica




SISTEMA DE TRANSMISION MECANICA

Alta velocidad rotacional del eje del hacia el generador eléctrico
Variable

Independiente

Variable

Dependiente

Baja velocidad rotacional del eje del rotor

Figura. 4.1: Caja negra del sistema de transmisión mecánica
  1. Matriz de funciones del sistema de transmisión mecánica


Tabla 4.1: Atributos y funciones del sistema de transmisión mecánica

ATRIBUTO

FUNCIÓN

Eje del rotor de baja velocidad

Entrega el torque desde el rotor de baja rpm al resto del tren de potencia

Cojinete

Aloja al rodamiento

Rodamiento

Permite la rotación del eje

Multiplicador

Realiza la relación de transmisión. Aumenta la velocidad rotacional para entregar al generador eléctrico.
  1. Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica


Tabla 4.2: Síntesisde funciones

ELEMENTO

Primario

Secundario

Eje del rotor de baja velocidad

X




Cojinete

X




Rodamiento

X




Multiplicador

X






  1. Caja blanca del sistema de transmisión mecánica




+

Alta velocidad rotacional del eje del hacia el generador eléctrico

Baja velocidad rotacional del eje del rotor

Eje del rotor de baja velocidad




Multiplicador




+

+




Cojinete

Rodamiento




+

Figura. 4.2: Caja blanca del sistema de transmisión mecánica

4.3.1Denominación


Diseño y construcción del sistema de transmisión mecánica de un aerogenerador.

4.3.2Objetivo


Diseñar y construir los componentes un sistema de transmisión mecánica del sistema de generación eólica.

4.3.3Problemas


PROBLEMA

PROBLEMAS

Descriptivo

¿Cuáles son las características del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y multiplicador que permiten lograr velocidad rotacional alta hacia el eje del generador eléctrico?


Explicativo

¿Cómo se relacionan el eje del rotor,rodamientos, cojinetes y multiplicador que permiten lograr velocidad rotacional alta hacia el eje del generador eléctrico?


Experimental

¿Qué pasa con la velocidad rotacional del eje hacia el generador eléctrico si se modifica la estructura del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y multiplicador?



Aplicada

¿Cómo combinar las formas o estructuras del eje del rotor,rodamientos, cojinetes y multiplicador para mejorar la velocidad rotacional del eje hacia el generador eléctrico?




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 transmisión mecánica para generación de potencia en sistema eólico esta formado por un eje que transmite el movimiento rotacional del rotor y la potencia al multiplicador de velocidad. Un soporte que permite la rotación del eje en el cojinete de rodamientos. Un ajuste y alineamiento adecuado permitirá el funcionamiento con un mínimo de perdida por fricción.

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

Raúl Mayco Chávez

Responsable

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


Mario Arellano Vílchez

Colaborador

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


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: Sistema

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 transmisión mecánica de un aerogenerador; se requiera evaluar, que tipos de investigación se realizó al respecto:


No

No

No

No

Si

Si

Si

Si

Investigación Aplicada

Investigación Experimental

Investigación Explicativa

Investigación Descriptiva

Fin

¿Cómo combinar las formas o estructuras del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y multiplicador para mejorar la velocidad rotacional del eje hacia el generador eléctrico?

¿Qué pasa con la energía mecánica rotacional si se modifican las palas y el buje del rotor?

¿Cómo se relacionan el eje del rotor, rodamientos, cojinetes y multiplicador que permiten lograr velocidad rotacional alta hacia el eje del generador eléctrico?

¿Cuáles son las características del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y multiplicador que permiten lograr velocidad rotacional alta hacia el eje del generador eléctrico?

Inicio




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.

Baillarie Rosenmann Paul. Diseño de aerogeneradores con imanes permanentes para su utilización en electrificación rural. Tesis de grado Chile: Universidad Chile. 2007

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

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

Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, diciembre de 2011


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

Mayco Chávez Raúl Jorge_________________________________________

LINEA DE INVESTIGACIÓN

Diseño y construcción del sistema de transmisión mecánica de un aerogenerador_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

TEMA DE TESIS

Sistema de transmisión mecánica para aumentar la baja velocidad de rotación del rotor de un aerogenerador
PROBLEMA

¿Cómo combinar las formas o estructuras del eje del rotor, rodamientos, cojinetes y multiplicador para mejorar la velocidad rotacional del eje hacia el generador eléctrico?


__________________________

Tesista

__________________________

V°B° Docente

__________________________

V°B° Director de la UPGFIM

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