analisis dinÁmico de operaciÓn y funcionamiento...
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ISSN 2007-1957
1 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
ANALISIS DINAacuteMICO DE OPERACIOacuteN Y FUNCIONAMIENTO DE
UN AEROGENERADOR EN EL SUMINISTRO DE ENERGIA
ELEacuteCTRICA A UNA CASA HABITACIOacuteN EN EL EDO DE
HIDALGO
J Santana Villarreal Reyes
Instituto Politeacutecnico Nacional-Escuela Superior de Ingenieriacutea Mecaacutenica y Eleacutectrica
Unidad Azcapotzalco
svillarrealipnmx
Juan Joseacute Martiacutenez Cosgalla
Instituto Politeacutecnico Nacional-Escuela Superior de Ingenieriacutea Mecaacutenica y Eleacutectrica
Unidad Azcapotzalco
Martinez_c_jjipnmx
Fredy Donis Sanchez
Instituto Politeacutecnico Nacional-Escuela Superior de Ingenieriacutea Mecaacutenica y Eleacutectrica
Unidad Azcapotzalco
fdonisipnmx
Abstract
En tiempos actuales en Meacutexico uno de los grandes problemas es el referente a la generacioacuten la distribucioacuten
y el suministro de la energiacutea eleacutectrica eacutesta no alcanza niveles satisfactorios debido a que proviene de la
quema de combustoacuteleo que es un recurso no renovablesin embargo la energiacutea puede generarse de una
manera maacutes limpia y menos contaminante por medio de fuentes renovables como la energiacutea solar eoacutelica y la
geoteacutermica La energiacutea eoacutelica es un recurso abundante renovable limpio en la generacioacuten de energiacutea
eleacutectrica y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero llegando a los lugares donde no
es posible acceder con cableado eleacutectrico En este trabajo se realiza el anaacutelisis dinaacutemico de operacioacuten y
funcionamiento de un aerogenerador utilizando las fuerzas de Arrastre y Sustentacioacuten A traveacutes de la
ecuacioacuten de flujo maacutesico y la ecuacioacuten general de los gases ideales se determinan las condiciones de
operacioacuten de la maacutequina eoacutelica Finalmente se determina la potencia que entrega el aerogenerador apoyados
con un programa para el caacutelculo de abrigo se llega a las condiciones de operacioacuten que se tendraacuten Palabras clave aerogenerador energiacutea eleacutectrica potencia mecaacutenica flujo maacutesico
En la actualidad en el mundo uno de los
grandes problemas es el referente a la
generacioacuten la distribucioacuten y el suministro de
la energiacutea eleacutectrica eacutesta no alcanza niveles
satisfactorios debido a que la mayoriacutea de la
energiacutea que se usa en la empresa casa
habitacioacuten etc proviene de recursos no
renovables Sin embargo la energiacutea puede
generarse de una manera maacutes limpia y menos
contaminante por medio de fuentes
renovables como la energiacutea solar energiacutea
eoacutelica la geoteacutermica la mareomotriz entre
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algunas otras La energiacutea eoacutelica es un recurso
abundante renovable limpio y ayuda a
disminuir las emisiones de gases de efecto
invernadero al estar en posibilidad de
reemplazar por ejemplo las termoeleacutectricas
que nos abastecen de energiacutea quemando
combustibles foacutesiles Ademaacutes esta forma de
energiacutea posee una cierta capacidad que le
permite usarse como fuente de energiacutea para
las poblaciones pequentildeas donde no hay
acceso directo de energiacutea por redes eleacutectricas
como las conocemos convencionalmente
Esta es una de las ventajas de la generacioacuten
de energiacutea eleacutectrica De acuerdo con los
argumentos anteriores una maacutequina que se
encargue de captar la fuerza del viento es la
forma de aprovechar este recurso Se
considera viento a toda masa de aire en
movimiento que surge como consecuencia
del desigual calentamiento de la superficie
terrestre eacutesta es propiamente la fuente de
energiacutea eoacutelica o mejor dicho la energiacutea
mecaacutenica que en forma de energiacutea cineacutetica
transporta al aire en movimiento
El viento y sus Tipos
El conocimiento de los vientos en general no
es suficiente para una correcta utilizacioacuten y
ubicacioacuten de maacutequinas accionadas por eacuteste
existen factores que modifican el reacutegimen
general y deben ser conocidos y tenidos en
cuenta para realizar un proyecto de este tipo
Existe un axioma de Bjerknes que indica el
movimiento o sentido de giro del viento
ldquoCuando el gradiente de presioacuten y el
gradiente de temperatura tienen distinta
direccioacuten se produce una circulacioacuten de aire
de sentido el camino maacutes corto desde el
gradiente de presioacuten al de temperaturardquo
Vientos Sinoacutepticos
Los vientos sinoacutepticos son aquellos que
normalmente afectan las estructuras El
viento sinoacuteptico sopla en forma horizontal lo
que permite esquematizar su movimiento por
un vector dirigido en el sentido hacia el cual
sopla y cuyo origen estaacute situado en el lugar de
observacioacuten
Regiones aprovechables para generacioacuten
de energiacutea eoacutelica Meacutexico
En la tabla 1 se registra una valoracioacuten del
potencial eoacutelico para lo que se ha clasificado
el territorio nacional en cinco tipos de zonas
seguacuten su curva de funcionamiento Se ha
supuesto una velocidad del viento de 3 ms
como es habitual para el arranque del
aerogenerador referidas a las horas anuales
durante las que un aerogenerador estariacutea
suministrando energiacutea a distintas potencias
Tabla 1 Clasificacioacuten de potencial eoacutelica Fuente
httpwwwarquitechcommxdatos-tecnicos-
arquitechzonas-eolicas-en-el-pais
Es importante el potencial energeacutetico que
previsiblemente le corresponde a cada zona
eoacutelica es decir la energiacutea generable al antildeo
por kW de potencia instalado la cual se
muestra en la tabla 2
Tabla 2 Potencial energeacutetico en kW
httpwwwarquitechcommxdatos-tecnicos-
arquitechzonas-eolicas-en-el-pais Zona Previsioacuten miacutenima Previsioacuten maacutexima
A 3 100 4 750
B 1 820 3 200
C 1 250 2 480
D 700 1 750
E 350 1 060
Emplazamiento
Se refiere a la colocacioacuten o situacioacuten en un
Zonas con potencial tipo A Con potencial muy alto y con velocidades del viento
por encima de 5 ms durante maacutes 5 250 hantildeo
B Con potencial alto y con velocidades del viento superior a 5 ms durante 4 380 a 5 250 hantildeo
C Con potencial medio al contar con viento superior a 5 ms durante 3 500 a 4 380 hantildeo
D Con potencial medio-bajo En estos emplazamientos el viento superior a 5 ms estaacute disponible durante 2 600 a 3 500 hantildeo
E De bajo potencial pero con posibilidades de aprovechamiento no industrial Las horas de viento uacutetil superior a 5 ms estariacutean situadas entre 1 750 y 2 600 hantildeo
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determinado lugar del aerogenerador es
necesario tomar en cuenta los requisitos
fundamentales para un emplazamiento tales
como la fauna del entorno y distancia de las
zonas urbanas
Dada la geografiacutea de Pachuca Hidalgo lugar
donde se hace el estudio de este proyecto
encontrar colinas o montantildeas es algo comuacuten
lo cual es un punto a favor para instalar un
aerogenerador en eacutestas siempre se aprecian
velocidades de viento superiores a las de las
aacutereas circundantes esto es debido a que el
viento se comprime en la parte baja y una vez
que alcanza la cima de la colina puede volver
a expandirse al descender hacia la zona de
bajas presiones
Aerogenerador
Para aerogeneradores destinados a la
obtencioacuten de energiacutea eleacutectrica el nuacutemero de
palas puede ser de 2 oacute 3 cuando la potencia
generada no depende maacutes que de la superficie
del aacuterea (A) barrida por la heacutelice y no del
nuacutemero de palas La potencia de estos
dispositivos puede ser obtenida por una
relacioacuten que determina la potencia nominal
viene dada por la Ec 1
119875 = (020)11986321199073(Ec 1)
Donde
P = es la potencia nominal (W watts)
D= es el diaacutemetro de barrido por las palas (m
metros)
V= velocidad del viento (ms metros por
segundo)
La potencia maacutexima de un aerogenerador
raacutepido se obtiene para valores del TSR altos
del orden de 7 a 10 requirieacutendose
velocidades del viento superiores a 6 ms Su
rendimiento es del orden del 35 al 40 que
es un valor maacutes alto que el de los multiacutepala
TSR- Tip-Speed-Ratio relacioacuten de velocidad
especiacutefica o perifeacuterica es un teacutermino que
sustituye al nuacutemero de revoluciones por
minuto del rotor sirve para comparar el
funcionamiento de maacutequinas eoacutelicas
diferentes por lo que tambieacuten se le suele
denominar velocidad especiacutefica
Ley exponencial de Hellmann
La velocidad del viento variacutea con la altura
siguiendo aproximadamente una ecuacioacuten de
tipo estadiacutestico conocida como ley
exponencial de Hellmann y se escribe de la
siguiente forma Ec 2
119881ℎ = 11988110 (ℎ
10)
120572
(Ec 2)
Donde
Vh = velocidad del viento
h = altura
V10 = velocidad del viento a 10 metros de
altura
α = exponente de Herman que variacutea con la
rugosidad del terreno y cuyos valores vienen
indicados en la tabla 3
Tabla 3 Valores del exponente de Hellmann en
funcioacuten de la rugosidad del terreno httpenergiaeolica-
walterblogspotmx201111fundamentos-
aerodinamicoshtml
Fuerzas de arrastre y sustentacioacuten en un
perfil
Las partiacuteculas del viento poseen una cantidad
significativa de energiacutea esta es posible
aprovecharla utilizando el principio de
fuerzas de arrastre y sustentacioacuten sobre un
perfil Para un perfil disentildeado en forma
aerodinaacutemica se definen dos zonas fig 1 que
son
Lugares llanos con hielo o hierba
α = 008 ndash 012
Lugares llanos mar costa α= 014
Terrenos poco accidentados
α= 013 ndash 016
Zonas ruacutesticas α =02
Terrenos accidentados o bosques
α= 02 ndash 026
Terrenos muy accidentados y ciudades
α= 025 ndash 04
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a) El extradoacutes que es la parte del perfil
en donde los filetes de aire estaacuten en
depresioacuten
b) El intradoacutes que es la parte del perfil
en donde los filetes de aire estaacuten en
sobrepresioacuten
Por lo que si se realiza un anaacutelisis de las
fuerzas de arrastre y de sustentacioacuten se
tendriacutea que el vector R en la direccioacuten viento
es la fuerza de arrastre mientras que la
componente de R perpendicular a la fuerza de
arrastre es la fuerza de sustentacioacuten fig1
Fig1 fuerzas de arrastre y ascensional
httpbibliotecaunsedupesaladocentesarchivospubl
icacionesfund Aerodinaacutemicos u iipd
119865119904119906119904119905119890119899119905119886119888119894oacute119899 = Rcos 120572 (Ec 3)
119865119886119903119903119886119904119905119903119890 = Rsen 120572 (Ec 4)
Podemos definir entonces que las variables
maacutes importantes en este campo son el
coeficiente de sustentacioacuten Cy y el
coeficiente de arrastre Cx que se determinan
por la Ec 5
119862119909 =119865119909
1
21205881198812119878
(119864119888 5)
Donde
Cx= Coeficiente de arrastre
Fx= Fuerza de Arrastre
ρ= Densidad del aire
V= Velocidad
S= Superficie frontal
Anaacutelisis de operacioacuten funcionamiento y
seleccioacuten de un aerogenerador
Calculando la potencia del viento
119875119907119894119890119899119905119900 =1
21205881198601199073(Ec 6)
Para determinar la potencia del viento el aire
se considera que se comporta como un gas
ideal por lo tanto es posible aplicar ecuacioacuten
de estado para gases ideales Ec7
119901119881 = 119898119877119879 (Ec 7)
Donde
p = presioacuten
V= volumen
m= masa
R= constante universal de los gases
T= temperatura
119901 =119898119877119879
119881 119901119890119903119900 119898 = 120588119881
Sustituyendo el valor de 119898 tenemos
119901 = 120588119877119879 119889119890119904119901119890119895119886119899119889119900 120588 =119901119886119905119898
119877119879
Determinando la densidad del aire a la
presioacuten atmosfeacuterica y temperatura de
Pachuca altitud 2400 metros sobre el nivel
del mar (msnm) y una temperatura
promedio de 149 degC con la Ec 8 se
convierte esta temperatura en absoluta
deg119870 = deg119862 + 273 (Ec 8)
there4 149degC + 273 = 2879
La constante universal de los gases ideales
(R) con valor de 287 Jkg degK determinando
el cambio de presioacuten atmosfeacuterica seguacuten la
altitud que se presenta en Pachuca utilizando
la Ec9
119901119886119905119898 = 0101325119898119875119886 [1 minus 00225 (ℎ
1000)]
5256
------------(Ec 9)
Para la altitud de 2400 msnm
119901119886119905119898 = 0101325 [1 minus 00225 (2400
1000)]
5256
= 007568119898119875119886 = 7568kPa
Calculando la densidad del aire
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120588 =119901119886119905119898
119877119879=
7568119896119875119886
(287119869
119896119892deg119870) (2879deg119870)
= 91592times10minus4
⟹ 91592times10minus4(1000) = 09159kg
m3
Dimensioacuten de un Rotor Eoacutelico
Aacuterea Frontal de Barrido
El aacuterea A barrida por el rotor es un paraacutemetro
muy importante de esta depende en buena
medida la potencia generada Por lo tanto
para el tamantildeo y dimensiones de un rotor
eoacutelico se determinan calculando
bull Aacuterea frontal A del mismo para ello
se le puede suponer como una
maacutequina motriz a la que de
antemano se tiene que prefijar y
asignar la energiacutea que se desea
generar
bull El promedio de energiacutea que se puede
obtener a partir de los recursos
eoacutelicos del lugar donde se vaya a
instalar el aerogenerador
Conociendo los datos energeacuteticos de la
maacutequina asiacute como los recursos eoacutelicos se
puede determinar el aacuterea A barrida por el
rotor El disentildeo de la maacutequina es
relativamente sencillo mientras que el
estudio y eleccioacuten de un lugar que cuenten
con recursos eoacutelicos puede ser maacutes
complicado por la energiacutea del viento
disponible La potencia que entrega el
aerogenerador es
119875uacute119905119894119897 =1
2120588ɳ120578 1198601199073(Ec 10)Despejando el
aacuterea119860 =2119875uacute119905119894119897
1205781205881199073ɳ
Donde
ɳ120636= es el rendimiento mecaacutenico total del
aerogenerador Esta ecuacioacuten nos permite
definir entonces factores para la correccioacuten de
datos convirtieacutendola en una ecuacioacuten de
disentildeo Ec 11
119860 =31times119875uacute119905119894119897
ɳ120636119865119862119860119862119879
(Ec 11)
Donde
F= Es un factor que depende de la velocidad
del viento y cuyos valores se indican en la
Tabla 5CA = Es un factor de correccioacuten de la
densidad del aire en funcioacuten de la altitud
CT= Es un factor de correccioacuten de
temperatura del lugar en degC
La Ec 11 permite comprobar si el aacuterea frontal
de la maacutequina corresponde con las
necesidades energeacuteticas programadas de
antemano por eso cuando se disentildea una
maacutequina eoacutelica es preciso fijar en forma
aproximada la eficiencia de la misma que es
un factor desconocido antes del disentildeo para
lo que se puede hacer uso de la tabla 4 en
funcioacuten de la velocidad del viento podemos
obtener el valor de F
Tabla 4 Valores del factor de potencia F Fuente
httptesisipnmxbitstreamhandle1|2345678910461
1425202007pdfsequence=11425202007pdfseq
uence=1
En la tabla 5 se muestra los factores de
correccioacuten tanto de altitud como la
temperatura del aire
Tabla 5 Factores de correccioacuten de densidad del
airehttptesisipnmxbitstreamhandle1|234567891
04611425202007pdfsequence=1
V(mph) 6 7 8 9 10 11
F 107 178 268 374 513 682
V(mph) 12 13 14 15 16 17
F 886 113 141 173 21 252
V(mph) 18 19 20 21 22 23
F 299 352 41 475 546 624
V(mph) 24 25 26 27 28 29
F 709 801 901 101 113 125
Altitud (m) CA Temp (degC) CT
Nivel del mar 1 -18 113
750 0898 -6 1083
1500 0819 4 104
2250 0744 16 1
3000 0676 27 0963
38 0929
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En la tabla 6 se muestra el porcentaje de la
eficiencia de algunas maacutequinas eoacutelicas
Tabla 6 valores estimados de la eficiencia de las
maacutequinas
eoacutelicashttpwwwmonografiascomtrabajos-
pdf2mecanismos-aprovechamiento-eolico-
maquinasmecanismos-aprobechamiento-eolico-
maquinaspdf
Dado un aerogenerador con las siguientes
caracteriacutesticas tabla7
Tabla 7 Datos de los equipos disponibles Catalogo
digital httpwwwbornaycom
Por lo tanto hacemos la estimacioacuten de la
eficiencia usando la tabla 6 esta tabla nos
indica una eficiencia de 20 a 30 tomaremos
un valor intermedio ɳ =25 Para la
velocidad del viento usaremos el promedio en
Pachuca de 7 ms que corresponde a 1566
mph Tomado de la tabla 4 el valor inmediato
superior de F= 21 para el factor de
correccioacuten de la temperatura el promedio en
Pachuca es 149 degC de tabla 5 CT = 1 la
densidad tiene un factor de correccioacuten de CA=
074 Sustituyendo estos valores en la Ec 6
para obtener la potencia
119875119907119894119890119899119905119900 =1
2(09159)
120587(4)2
4(7)3
= 197388 119908
Calculando el aacuterea119860 =31times119875uacute119905119894119897
120578119865119862119860119862119879
=31times19119870119908
(025)(21)(0744)(1)= 1507931198982
119863 = radic4119860
120587= radic
4(150793)
120587= 43817119898
Por lo que se tendriacutea un radio de 21908m El
aerogenerador seleccionado tiene un diaacutemetro
de 4 m dato proporcionado por el fabricante
mientras que el diaacutemetro obtenido por la
ecuacioacuten de disentildeo nos indica un diaacutemetro de
439m La diferencia en los valores de estos
diaacutemetros se presenta por que la altitud de
Pachuca en este lugar el valor de la densidad
disponible del viento disminuye la ecuacioacuten
nos indica cuanto debemos compensar el aacuterea
de barrido para que alcance la potencia
deseada seguacuten el diaacutemetro que obtuvimos La
relacioacuten de velocidad perifeacuterica TSR sirve
para comparar el funcionamiento de
maacutequinas eoacutelicas diferentes por lo que
tambieacuten se suele llamar velocidad especiacutefica
para nuestro equipo tenemos
119879119878119877 =119881119890119897119900119888119894119889119886119889 119901119890119903119894119891119890119903119894119888119886 119889119890 119897119886 119901119886119897119886
119907119890119897119900119888119894119889119886119889 119889119890119897 119907119894119890119899119905119900=
119877119882
119907
=119877times2120587(119899)
60119907= cot 120579 (Ec 12)
119879119878119877 =2119898(2120587500119903119901119898)
60(7)= 1495
119898
119904
Caacutelculo de Aprovechamiento
Rugosidad
A una gran altura de la superficie del suelo
alrededor de un kiloacutemetro la superficie
terrestre apenas ejerce influencia sobre el
viento Sin embargo en las capas maacutes bajas
de la atmoacutesfera las velocidades del viento se
ven afectadas por el rozamiento con la
superficie terrestre Esto se conoce como
rugosidad del terreno que no es maacutes que la
Maacutequina eoacutelica Eficiencia en
Construccioacuten simple Disentildeo oacuteptimo
Bomba de agua multiacutepala
10 30
Bomba de agua palas de tela
10 25
Bomba de agua Darrieux
15 30
Aeromotor Savonius 10 20
Aeromotores pequentildeos de 2Kw
20 30
Aeromotor mediano de 2 a 10Kw
20 30
Equipos grandes de maacutes de 10Kw
- 30-40
Generador eoacutelico Darrieux
15 35
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten
Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico
2) Pasivo por
inclinacioacuten
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influencia de los obstaacuteculos y del contorno
del terreno tambieacuten llamada orografiacutea del
aacuterea Estos valores de rugosidad estaacuten
definidos por los factores de distribucioacuten de
Weibull que es valor que indica cuanta
dispersioacuten del viento habraacute seguacuten la
rugosidad del lugar la velocidad del viento y
la distribucioacuten de Weibull corresponden a los
valores que se muestran en la tabla 8
Tabla 8 Rugosidad del terreno funcioacuten de la altura
httpxn--drmstrre-
64addkwpcontentwindmillerwindpower20webes
tourwrescalculathtm
La figura 2 es la graacutefica de la disminucioacuten de
velocidad en funcioacuten de lade la altura para un
factor K = 2
Fig2 Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
Factor k de Weibull es un factor que modela
la forma de la distribucioacuten de probabilidad de
Weibull Cuantos menos obstaacuteculos haya
menos dispersioacuten habraacute en la velocidad del
viento Suele usarse k=2 para instalaciones en
tierra k=3 para instalaciones en la costa y
k=4 para instalaciones en islas aunque
tambieacuten se puede tomar en cuenta la rosa de
rugosidades que describe la rugosidad del
terreno en diferentes direcciones desde el
futuro emplazamiento de una turbina eoacutelica
Las partes en las que se divide la rosa de las
rugosidades deberaacuten ser las mismas que la
rosa de los vientos La rugosidad no caeraacute en
una clase de las rugosidades Fig 3
Fig3Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
La distribucioacuten estadiacutestica de la velocidad de
viento en Pachuca se observa en la graacutefica de
la Fig4
Fig4 Valores estadiacutesticos de la velocidad del viento
httpxn-drmstrre-64addkwp-
contenetmillerwindpower20webentourwresweib
ullhtm
Descripcioacuten de Resultados
Fig 4 La mitad del aacuterea azul que estaacute a la
izquierda de la liacutenea negra corresponde a 66
Rugosidad K
0 05 1 15 2 3 4
Longitud (m)
00002 00024 003 0055 01 04 16
150 1375 1294 1181 1148 1112 1013 886
140 1368 1286 1172 1138 1101 1001 873
130 136 1277 1161 1127 109 988 858
120 1352 1268 115 1115 1078 975 843
110 1343 1257 1138 1103 1064 96 826
100 1334 1246 1125 1089 105 944 807
90 1323 1234 111 1074 1034 926 786
80 1311 122 1094 1057 1016 905 763
70 1298 1205 1076 1037 996 883 737
60 1282 1186 1054 1015 972 856 707
50 1263 1165 1029 988 945 825 672
40 1241 1139 998 956 911 787 628
30 1211 1105 958 914 867 738 572
20 117 1058 902 855 805 669 493
10 11 977 806 755 7 55 358
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8 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
metros por segundo que es la velocidad
media de la distribucioacuten esto significa que la
mitad del tiempo el viento soplaraacute a menos de
66 ms y la otra mitad soplaraacute a maacutes de 66
ms La caracteriacutestica de la graacutefica de
distribucioacuten de las velocidades del viento es
que esta sesgada lo que representa que a
veces tendraacute velocidades de viento muy altas
pero solo en muy raras ocasiones Por otro
lado las velocidades del viento que alcanzan
un valor maacutes alto de la graacutefica son de 55 ms
lo que indica que son las maacutes comunes si
multiplicamos cada diminuto intervalo de la
velocidad del viento por la probabilidad de
tener esa velocidad particular y los sumamos
todos obtenemos la velocidad del viento
media El viento tiene la desventaja de ser
impredecible y muy variable en Pachuca
Hidalgo Para evitar el efecto de turbulencia
la torre del aerogenerador se construye lo
suficientemente alta Para las condiciones
planteadas de la casa de Pachuca de Soto la
cual tiene 7m de alto por 9m de ancho genera
condiciones de frenado del viento por lo que
se hace la siguiente propuesta Fig 5
Fig5 Diagrama de las condiciones fiacutesicas de la casa
de Pachuca de Soto
Doacutende
K= 2 (factor de rugosidad) y 119907 = 7msCon el
apoyo de un programa en liacutenea de Danish
Wind Industry Association Fig 6 el cual
hace el caacutelculo del abrigo y por medio de la
graacutefica se proporciona una estimacioacuten de
coacutemo disminuye el viento tras un obstaacuteculo
que no es aerodinaacutemico
Fig6 Programa en liacutenea para caacutelculo de abrigo
httpwwwmotivafimyllarin
tuulivoimawindpower20webestourwresshelterin
dexhtm
Despueacutes de proporcionar al programa los datos
necesarios posteriormente soacutelo se selecciona la de
opcioacuten ldquoTrazar energiacutea en el vientordquo para que se
muestre la graacutefica fig7 Incluso este programa da
la opcioacuten de ldquotrazar perfil de velocidadesrdquo fig 8
Fig7 Representacioacuten de la energiacutea del viento en
porcentaje de la energiacutea del viento sin obstaacuteculos (12m
altura de
buje)httpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawindp
ower20webestourwresshelterindexhtm
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Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
ndpower20webestourwresshelterindexhtm
Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
12357 36 10 1000 09159 57547
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Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
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algunas otras La energiacutea eoacutelica es un recurso
abundante renovable limpio y ayuda a
disminuir las emisiones de gases de efecto
invernadero al estar en posibilidad de
reemplazar por ejemplo las termoeleacutectricas
que nos abastecen de energiacutea quemando
combustibles foacutesiles Ademaacutes esta forma de
energiacutea posee una cierta capacidad que le
permite usarse como fuente de energiacutea para
las poblaciones pequentildeas donde no hay
acceso directo de energiacutea por redes eleacutectricas
como las conocemos convencionalmente
Esta es una de las ventajas de la generacioacuten
de energiacutea eleacutectrica De acuerdo con los
argumentos anteriores una maacutequina que se
encargue de captar la fuerza del viento es la
forma de aprovechar este recurso Se
considera viento a toda masa de aire en
movimiento que surge como consecuencia
del desigual calentamiento de la superficie
terrestre eacutesta es propiamente la fuente de
energiacutea eoacutelica o mejor dicho la energiacutea
mecaacutenica que en forma de energiacutea cineacutetica
transporta al aire en movimiento
El viento y sus Tipos
El conocimiento de los vientos en general no
es suficiente para una correcta utilizacioacuten y
ubicacioacuten de maacutequinas accionadas por eacuteste
existen factores que modifican el reacutegimen
general y deben ser conocidos y tenidos en
cuenta para realizar un proyecto de este tipo
Existe un axioma de Bjerknes que indica el
movimiento o sentido de giro del viento
ldquoCuando el gradiente de presioacuten y el
gradiente de temperatura tienen distinta
direccioacuten se produce una circulacioacuten de aire
de sentido el camino maacutes corto desde el
gradiente de presioacuten al de temperaturardquo
Vientos Sinoacutepticos
Los vientos sinoacutepticos son aquellos que
normalmente afectan las estructuras El
viento sinoacuteptico sopla en forma horizontal lo
que permite esquematizar su movimiento por
un vector dirigido en el sentido hacia el cual
sopla y cuyo origen estaacute situado en el lugar de
observacioacuten
Regiones aprovechables para generacioacuten
de energiacutea eoacutelica Meacutexico
En la tabla 1 se registra una valoracioacuten del
potencial eoacutelico para lo que se ha clasificado
el territorio nacional en cinco tipos de zonas
seguacuten su curva de funcionamiento Se ha
supuesto una velocidad del viento de 3 ms
como es habitual para el arranque del
aerogenerador referidas a las horas anuales
durante las que un aerogenerador estariacutea
suministrando energiacutea a distintas potencias
Tabla 1 Clasificacioacuten de potencial eoacutelica Fuente
httpwwwarquitechcommxdatos-tecnicos-
arquitechzonas-eolicas-en-el-pais
Es importante el potencial energeacutetico que
previsiblemente le corresponde a cada zona
eoacutelica es decir la energiacutea generable al antildeo
por kW de potencia instalado la cual se
muestra en la tabla 2
Tabla 2 Potencial energeacutetico en kW
httpwwwarquitechcommxdatos-tecnicos-
arquitechzonas-eolicas-en-el-pais Zona Previsioacuten miacutenima Previsioacuten maacutexima
A 3 100 4 750
B 1 820 3 200
C 1 250 2 480
D 700 1 750
E 350 1 060
Emplazamiento
Se refiere a la colocacioacuten o situacioacuten en un
Zonas con potencial tipo A Con potencial muy alto y con velocidades del viento
por encima de 5 ms durante maacutes 5 250 hantildeo
B Con potencial alto y con velocidades del viento superior a 5 ms durante 4 380 a 5 250 hantildeo
C Con potencial medio al contar con viento superior a 5 ms durante 3 500 a 4 380 hantildeo
D Con potencial medio-bajo En estos emplazamientos el viento superior a 5 ms estaacute disponible durante 2 600 a 3 500 hantildeo
E De bajo potencial pero con posibilidades de aprovechamiento no industrial Las horas de viento uacutetil superior a 5 ms estariacutean situadas entre 1 750 y 2 600 hantildeo
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3 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
determinado lugar del aerogenerador es
necesario tomar en cuenta los requisitos
fundamentales para un emplazamiento tales
como la fauna del entorno y distancia de las
zonas urbanas
Dada la geografiacutea de Pachuca Hidalgo lugar
donde se hace el estudio de este proyecto
encontrar colinas o montantildeas es algo comuacuten
lo cual es un punto a favor para instalar un
aerogenerador en eacutestas siempre se aprecian
velocidades de viento superiores a las de las
aacutereas circundantes esto es debido a que el
viento se comprime en la parte baja y una vez
que alcanza la cima de la colina puede volver
a expandirse al descender hacia la zona de
bajas presiones
Aerogenerador
Para aerogeneradores destinados a la
obtencioacuten de energiacutea eleacutectrica el nuacutemero de
palas puede ser de 2 oacute 3 cuando la potencia
generada no depende maacutes que de la superficie
del aacuterea (A) barrida por la heacutelice y no del
nuacutemero de palas La potencia de estos
dispositivos puede ser obtenida por una
relacioacuten que determina la potencia nominal
viene dada por la Ec 1
119875 = (020)11986321199073(Ec 1)
Donde
P = es la potencia nominal (W watts)
D= es el diaacutemetro de barrido por las palas (m
metros)
V= velocidad del viento (ms metros por
segundo)
La potencia maacutexima de un aerogenerador
raacutepido se obtiene para valores del TSR altos
del orden de 7 a 10 requirieacutendose
velocidades del viento superiores a 6 ms Su
rendimiento es del orden del 35 al 40 que
es un valor maacutes alto que el de los multiacutepala
TSR- Tip-Speed-Ratio relacioacuten de velocidad
especiacutefica o perifeacuterica es un teacutermino que
sustituye al nuacutemero de revoluciones por
minuto del rotor sirve para comparar el
funcionamiento de maacutequinas eoacutelicas
diferentes por lo que tambieacuten se le suele
denominar velocidad especiacutefica
Ley exponencial de Hellmann
La velocidad del viento variacutea con la altura
siguiendo aproximadamente una ecuacioacuten de
tipo estadiacutestico conocida como ley
exponencial de Hellmann y se escribe de la
siguiente forma Ec 2
119881ℎ = 11988110 (ℎ
10)
120572
(Ec 2)
Donde
Vh = velocidad del viento
h = altura
V10 = velocidad del viento a 10 metros de
altura
α = exponente de Herman que variacutea con la
rugosidad del terreno y cuyos valores vienen
indicados en la tabla 3
Tabla 3 Valores del exponente de Hellmann en
funcioacuten de la rugosidad del terreno httpenergiaeolica-
walterblogspotmx201111fundamentos-
aerodinamicoshtml
Fuerzas de arrastre y sustentacioacuten en un
perfil
Las partiacuteculas del viento poseen una cantidad
significativa de energiacutea esta es posible
aprovecharla utilizando el principio de
fuerzas de arrastre y sustentacioacuten sobre un
perfil Para un perfil disentildeado en forma
aerodinaacutemica se definen dos zonas fig 1 que
son
Lugares llanos con hielo o hierba
α = 008 ndash 012
Lugares llanos mar costa α= 014
Terrenos poco accidentados
α= 013 ndash 016
Zonas ruacutesticas α =02
Terrenos accidentados o bosques
α= 02 ndash 026
Terrenos muy accidentados y ciudades
α= 025 ndash 04
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a) El extradoacutes que es la parte del perfil
en donde los filetes de aire estaacuten en
depresioacuten
b) El intradoacutes que es la parte del perfil
en donde los filetes de aire estaacuten en
sobrepresioacuten
Por lo que si se realiza un anaacutelisis de las
fuerzas de arrastre y de sustentacioacuten se
tendriacutea que el vector R en la direccioacuten viento
es la fuerza de arrastre mientras que la
componente de R perpendicular a la fuerza de
arrastre es la fuerza de sustentacioacuten fig1
Fig1 fuerzas de arrastre y ascensional
httpbibliotecaunsedupesaladocentesarchivospubl
icacionesfund Aerodinaacutemicos u iipd
119865119904119906119904119905119890119899119905119886119888119894oacute119899 = Rcos 120572 (Ec 3)
119865119886119903119903119886119904119905119903119890 = Rsen 120572 (Ec 4)
Podemos definir entonces que las variables
maacutes importantes en este campo son el
coeficiente de sustentacioacuten Cy y el
coeficiente de arrastre Cx que se determinan
por la Ec 5
119862119909 =119865119909
1
21205881198812119878
(119864119888 5)
Donde
Cx= Coeficiente de arrastre
Fx= Fuerza de Arrastre
ρ= Densidad del aire
V= Velocidad
S= Superficie frontal
Anaacutelisis de operacioacuten funcionamiento y
seleccioacuten de un aerogenerador
Calculando la potencia del viento
119875119907119894119890119899119905119900 =1
21205881198601199073(Ec 6)
Para determinar la potencia del viento el aire
se considera que se comporta como un gas
ideal por lo tanto es posible aplicar ecuacioacuten
de estado para gases ideales Ec7
119901119881 = 119898119877119879 (Ec 7)
Donde
p = presioacuten
V= volumen
m= masa
R= constante universal de los gases
T= temperatura
119901 =119898119877119879
119881 119901119890119903119900 119898 = 120588119881
Sustituyendo el valor de 119898 tenemos
119901 = 120588119877119879 119889119890119904119901119890119895119886119899119889119900 120588 =119901119886119905119898
119877119879
Determinando la densidad del aire a la
presioacuten atmosfeacuterica y temperatura de
Pachuca altitud 2400 metros sobre el nivel
del mar (msnm) y una temperatura
promedio de 149 degC con la Ec 8 se
convierte esta temperatura en absoluta
deg119870 = deg119862 + 273 (Ec 8)
there4 149degC + 273 = 2879
La constante universal de los gases ideales
(R) con valor de 287 Jkg degK determinando
el cambio de presioacuten atmosfeacuterica seguacuten la
altitud que se presenta en Pachuca utilizando
la Ec9
119901119886119905119898 = 0101325119898119875119886 [1 minus 00225 (ℎ
1000)]
5256
------------(Ec 9)
Para la altitud de 2400 msnm
119901119886119905119898 = 0101325 [1 minus 00225 (2400
1000)]
5256
= 007568119898119875119886 = 7568kPa
Calculando la densidad del aire
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120588 =119901119886119905119898
119877119879=
7568119896119875119886
(287119869
119896119892deg119870) (2879deg119870)
= 91592times10minus4
⟹ 91592times10minus4(1000) = 09159kg
m3
Dimensioacuten de un Rotor Eoacutelico
Aacuterea Frontal de Barrido
El aacuterea A barrida por el rotor es un paraacutemetro
muy importante de esta depende en buena
medida la potencia generada Por lo tanto
para el tamantildeo y dimensiones de un rotor
eoacutelico se determinan calculando
bull Aacuterea frontal A del mismo para ello
se le puede suponer como una
maacutequina motriz a la que de
antemano se tiene que prefijar y
asignar la energiacutea que se desea
generar
bull El promedio de energiacutea que se puede
obtener a partir de los recursos
eoacutelicos del lugar donde se vaya a
instalar el aerogenerador
Conociendo los datos energeacuteticos de la
maacutequina asiacute como los recursos eoacutelicos se
puede determinar el aacuterea A barrida por el
rotor El disentildeo de la maacutequina es
relativamente sencillo mientras que el
estudio y eleccioacuten de un lugar que cuenten
con recursos eoacutelicos puede ser maacutes
complicado por la energiacutea del viento
disponible La potencia que entrega el
aerogenerador es
119875uacute119905119894119897 =1
2120588ɳ120578 1198601199073(Ec 10)Despejando el
aacuterea119860 =2119875uacute119905119894119897
1205781205881199073ɳ
Donde
ɳ120636= es el rendimiento mecaacutenico total del
aerogenerador Esta ecuacioacuten nos permite
definir entonces factores para la correccioacuten de
datos convirtieacutendola en una ecuacioacuten de
disentildeo Ec 11
119860 =31times119875uacute119905119894119897
ɳ120636119865119862119860119862119879
(Ec 11)
Donde
F= Es un factor que depende de la velocidad
del viento y cuyos valores se indican en la
Tabla 5CA = Es un factor de correccioacuten de la
densidad del aire en funcioacuten de la altitud
CT= Es un factor de correccioacuten de
temperatura del lugar en degC
La Ec 11 permite comprobar si el aacuterea frontal
de la maacutequina corresponde con las
necesidades energeacuteticas programadas de
antemano por eso cuando se disentildea una
maacutequina eoacutelica es preciso fijar en forma
aproximada la eficiencia de la misma que es
un factor desconocido antes del disentildeo para
lo que se puede hacer uso de la tabla 4 en
funcioacuten de la velocidad del viento podemos
obtener el valor de F
Tabla 4 Valores del factor de potencia F Fuente
httptesisipnmxbitstreamhandle1|2345678910461
1425202007pdfsequence=11425202007pdfseq
uence=1
En la tabla 5 se muestra los factores de
correccioacuten tanto de altitud como la
temperatura del aire
Tabla 5 Factores de correccioacuten de densidad del
airehttptesisipnmxbitstreamhandle1|234567891
04611425202007pdfsequence=1
V(mph) 6 7 8 9 10 11
F 107 178 268 374 513 682
V(mph) 12 13 14 15 16 17
F 886 113 141 173 21 252
V(mph) 18 19 20 21 22 23
F 299 352 41 475 546 624
V(mph) 24 25 26 27 28 29
F 709 801 901 101 113 125
Altitud (m) CA Temp (degC) CT
Nivel del mar 1 -18 113
750 0898 -6 1083
1500 0819 4 104
2250 0744 16 1
3000 0676 27 0963
38 0929
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En la tabla 6 se muestra el porcentaje de la
eficiencia de algunas maacutequinas eoacutelicas
Tabla 6 valores estimados de la eficiencia de las
maacutequinas
eoacutelicashttpwwwmonografiascomtrabajos-
pdf2mecanismos-aprovechamiento-eolico-
maquinasmecanismos-aprobechamiento-eolico-
maquinaspdf
Dado un aerogenerador con las siguientes
caracteriacutesticas tabla7
Tabla 7 Datos de los equipos disponibles Catalogo
digital httpwwwbornaycom
Por lo tanto hacemos la estimacioacuten de la
eficiencia usando la tabla 6 esta tabla nos
indica una eficiencia de 20 a 30 tomaremos
un valor intermedio ɳ =25 Para la
velocidad del viento usaremos el promedio en
Pachuca de 7 ms que corresponde a 1566
mph Tomado de la tabla 4 el valor inmediato
superior de F= 21 para el factor de
correccioacuten de la temperatura el promedio en
Pachuca es 149 degC de tabla 5 CT = 1 la
densidad tiene un factor de correccioacuten de CA=
074 Sustituyendo estos valores en la Ec 6
para obtener la potencia
119875119907119894119890119899119905119900 =1
2(09159)
120587(4)2
4(7)3
= 197388 119908
Calculando el aacuterea119860 =31times119875uacute119905119894119897
120578119865119862119860119862119879
=31times19119870119908
(025)(21)(0744)(1)= 1507931198982
119863 = radic4119860
120587= radic
4(150793)
120587= 43817119898
Por lo que se tendriacutea un radio de 21908m El
aerogenerador seleccionado tiene un diaacutemetro
de 4 m dato proporcionado por el fabricante
mientras que el diaacutemetro obtenido por la
ecuacioacuten de disentildeo nos indica un diaacutemetro de
439m La diferencia en los valores de estos
diaacutemetros se presenta por que la altitud de
Pachuca en este lugar el valor de la densidad
disponible del viento disminuye la ecuacioacuten
nos indica cuanto debemos compensar el aacuterea
de barrido para que alcance la potencia
deseada seguacuten el diaacutemetro que obtuvimos La
relacioacuten de velocidad perifeacuterica TSR sirve
para comparar el funcionamiento de
maacutequinas eoacutelicas diferentes por lo que
tambieacuten se suele llamar velocidad especiacutefica
para nuestro equipo tenemos
119879119878119877 =119881119890119897119900119888119894119889119886119889 119901119890119903119894119891119890119903119894119888119886 119889119890 119897119886 119901119886119897119886
119907119890119897119900119888119894119889119886119889 119889119890119897 119907119894119890119899119905119900=
119877119882
119907
=119877times2120587(119899)
60119907= cot 120579 (Ec 12)
119879119878119877 =2119898(2120587500119903119901119898)
60(7)= 1495
119898
119904
Caacutelculo de Aprovechamiento
Rugosidad
A una gran altura de la superficie del suelo
alrededor de un kiloacutemetro la superficie
terrestre apenas ejerce influencia sobre el
viento Sin embargo en las capas maacutes bajas
de la atmoacutesfera las velocidades del viento se
ven afectadas por el rozamiento con la
superficie terrestre Esto se conoce como
rugosidad del terreno que no es maacutes que la
Maacutequina eoacutelica Eficiencia en
Construccioacuten simple Disentildeo oacuteptimo
Bomba de agua multiacutepala
10 30
Bomba de agua palas de tela
10 25
Bomba de agua Darrieux
15 30
Aeromotor Savonius 10 20
Aeromotores pequentildeos de 2Kw
20 30
Aeromotor mediano de 2 a 10Kw
20 30
Equipos grandes de maacutes de 10Kw
- 30-40
Generador eoacutelico Darrieux
15 35
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten
Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico
2) Pasivo por
inclinacioacuten
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influencia de los obstaacuteculos y del contorno
del terreno tambieacuten llamada orografiacutea del
aacuterea Estos valores de rugosidad estaacuten
definidos por los factores de distribucioacuten de
Weibull que es valor que indica cuanta
dispersioacuten del viento habraacute seguacuten la
rugosidad del lugar la velocidad del viento y
la distribucioacuten de Weibull corresponden a los
valores que se muestran en la tabla 8
Tabla 8 Rugosidad del terreno funcioacuten de la altura
httpxn--drmstrre-
64addkwpcontentwindmillerwindpower20webes
tourwrescalculathtm
La figura 2 es la graacutefica de la disminucioacuten de
velocidad en funcioacuten de lade la altura para un
factor K = 2
Fig2 Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
Factor k de Weibull es un factor que modela
la forma de la distribucioacuten de probabilidad de
Weibull Cuantos menos obstaacuteculos haya
menos dispersioacuten habraacute en la velocidad del
viento Suele usarse k=2 para instalaciones en
tierra k=3 para instalaciones en la costa y
k=4 para instalaciones en islas aunque
tambieacuten se puede tomar en cuenta la rosa de
rugosidades que describe la rugosidad del
terreno en diferentes direcciones desde el
futuro emplazamiento de una turbina eoacutelica
Las partes en las que se divide la rosa de las
rugosidades deberaacuten ser las mismas que la
rosa de los vientos La rugosidad no caeraacute en
una clase de las rugosidades Fig 3
Fig3Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
La distribucioacuten estadiacutestica de la velocidad de
viento en Pachuca se observa en la graacutefica de
la Fig4
Fig4 Valores estadiacutesticos de la velocidad del viento
httpxn-drmstrre-64addkwp-
contenetmillerwindpower20webentourwresweib
ullhtm
Descripcioacuten de Resultados
Fig 4 La mitad del aacuterea azul que estaacute a la
izquierda de la liacutenea negra corresponde a 66
Rugosidad K
0 05 1 15 2 3 4
Longitud (m)
00002 00024 003 0055 01 04 16
150 1375 1294 1181 1148 1112 1013 886
140 1368 1286 1172 1138 1101 1001 873
130 136 1277 1161 1127 109 988 858
120 1352 1268 115 1115 1078 975 843
110 1343 1257 1138 1103 1064 96 826
100 1334 1246 1125 1089 105 944 807
90 1323 1234 111 1074 1034 926 786
80 1311 122 1094 1057 1016 905 763
70 1298 1205 1076 1037 996 883 737
60 1282 1186 1054 1015 972 856 707
50 1263 1165 1029 988 945 825 672
40 1241 1139 998 956 911 787 628
30 1211 1105 958 914 867 738 572
20 117 1058 902 855 805 669 493
10 11 977 806 755 7 55 358
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metros por segundo que es la velocidad
media de la distribucioacuten esto significa que la
mitad del tiempo el viento soplaraacute a menos de
66 ms y la otra mitad soplaraacute a maacutes de 66
ms La caracteriacutestica de la graacutefica de
distribucioacuten de las velocidades del viento es
que esta sesgada lo que representa que a
veces tendraacute velocidades de viento muy altas
pero solo en muy raras ocasiones Por otro
lado las velocidades del viento que alcanzan
un valor maacutes alto de la graacutefica son de 55 ms
lo que indica que son las maacutes comunes si
multiplicamos cada diminuto intervalo de la
velocidad del viento por la probabilidad de
tener esa velocidad particular y los sumamos
todos obtenemos la velocidad del viento
media El viento tiene la desventaja de ser
impredecible y muy variable en Pachuca
Hidalgo Para evitar el efecto de turbulencia
la torre del aerogenerador se construye lo
suficientemente alta Para las condiciones
planteadas de la casa de Pachuca de Soto la
cual tiene 7m de alto por 9m de ancho genera
condiciones de frenado del viento por lo que
se hace la siguiente propuesta Fig 5
Fig5 Diagrama de las condiciones fiacutesicas de la casa
de Pachuca de Soto
Doacutende
K= 2 (factor de rugosidad) y 119907 = 7msCon el
apoyo de un programa en liacutenea de Danish
Wind Industry Association Fig 6 el cual
hace el caacutelculo del abrigo y por medio de la
graacutefica se proporciona una estimacioacuten de
coacutemo disminuye el viento tras un obstaacuteculo
que no es aerodinaacutemico
Fig6 Programa en liacutenea para caacutelculo de abrigo
httpwwwmotivafimyllarin
tuulivoimawindpower20webestourwresshelterin
dexhtm
Despueacutes de proporcionar al programa los datos
necesarios posteriormente soacutelo se selecciona la de
opcioacuten ldquoTrazar energiacutea en el vientordquo para que se
muestre la graacutefica fig7 Incluso este programa da
la opcioacuten de ldquotrazar perfil de velocidadesrdquo fig 8
Fig7 Representacioacuten de la energiacutea del viento en
porcentaje de la energiacutea del viento sin obstaacuteculos (12m
altura de
buje)httpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawindp
ower20webestourwresshelterindexhtm
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Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
ndpower20webestourwresshelterindexhtm
Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
12357 36 10 1000 09159 57547
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Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
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3 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
determinado lugar del aerogenerador es
necesario tomar en cuenta los requisitos
fundamentales para un emplazamiento tales
como la fauna del entorno y distancia de las
zonas urbanas
Dada la geografiacutea de Pachuca Hidalgo lugar
donde se hace el estudio de este proyecto
encontrar colinas o montantildeas es algo comuacuten
lo cual es un punto a favor para instalar un
aerogenerador en eacutestas siempre se aprecian
velocidades de viento superiores a las de las
aacutereas circundantes esto es debido a que el
viento se comprime en la parte baja y una vez
que alcanza la cima de la colina puede volver
a expandirse al descender hacia la zona de
bajas presiones
Aerogenerador
Para aerogeneradores destinados a la
obtencioacuten de energiacutea eleacutectrica el nuacutemero de
palas puede ser de 2 oacute 3 cuando la potencia
generada no depende maacutes que de la superficie
del aacuterea (A) barrida por la heacutelice y no del
nuacutemero de palas La potencia de estos
dispositivos puede ser obtenida por una
relacioacuten que determina la potencia nominal
viene dada por la Ec 1
119875 = (020)11986321199073(Ec 1)
Donde
P = es la potencia nominal (W watts)
D= es el diaacutemetro de barrido por las palas (m
metros)
V= velocidad del viento (ms metros por
segundo)
La potencia maacutexima de un aerogenerador
raacutepido se obtiene para valores del TSR altos
del orden de 7 a 10 requirieacutendose
velocidades del viento superiores a 6 ms Su
rendimiento es del orden del 35 al 40 que
es un valor maacutes alto que el de los multiacutepala
TSR- Tip-Speed-Ratio relacioacuten de velocidad
especiacutefica o perifeacuterica es un teacutermino que
sustituye al nuacutemero de revoluciones por
minuto del rotor sirve para comparar el
funcionamiento de maacutequinas eoacutelicas
diferentes por lo que tambieacuten se le suele
denominar velocidad especiacutefica
Ley exponencial de Hellmann
La velocidad del viento variacutea con la altura
siguiendo aproximadamente una ecuacioacuten de
tipo estadiacutestico conocida como ley
exponencial de Hellmann y se escribe de la
siguiente forma Ec 2
119881ℎ = 11988110 (ℎ
10)
120572
(Ec 2)
Donde
Vh = velocidad del viento
h = altura
V10 = velocidad del viento a 10 metros de
altura
α = exponente de Herman que variacutea con la
rugosidad del terreno y cuyos valores vienen
indicados en la tabla 3
Tabla 3 Valores del exponente de Hellmann en
funcioacuten de la rugosidad del terreno httpenergiaeolica-
walterblogspotmx201111fundamentos-
aerodinamicoshtml
Fuerzas de arrastre y sustentacioacuten en un
perfil
Las partiacuteculas del viento poseen una cantidad
significativa de energiacutea esta es posible
aprovecharla utilizando el principio de
fuerzas de arrastre y sustentacioacuten sobre un
perfil Para un perfil disentildeado en forma
aerodinaacutemica se definen dos zonas fig 1 que
son
Lugares llanos con hielo o hierba
α = 008 ndash 012
Lugares llanos mar costa α= 014
Terrenos poco accidentados
α= 013 ndash 016
Zonas ruacutesticas α =02
Terrenos accidentados o bosques
α= 02 ndash 026
Terrenos muy accidentados y ciudades
α= 025 ndash 04
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4 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
a) El extradoacutes que es la parte del perfil
en donde los filetes de aire estaacuten en
depresioacuten
b) El intradoacutes que es la parte del perfil
en donde los filetes de aire estaacuten en
sobrepresioacuten
Por lo que si se realiza un anaacutelisis de las
fuerzas de arrastre y de sustentacioacuten se
tendriacutea que el vector R en la direccioacuten viento
es la fuerza de arrastre mientras que la
componente de R perpendicular a la fuerza de
arrastre es la fuerza de sustentacioacuten fig1
Fig1 fuerzas de arrastre y ascensional
httpbibliotecaunsedupesaladocentesarchivospubl
icacionesfund Aerodinaacutemicos u iipd
119865119904119906119904119905119890119899119905119886119888119894oacute119899 = Rcos 120572 (Ec 3)
119865119886119903119903119886119904119905119903119890 = Rsen 120572 (Ec 4)
Podemos definir entonces que las variables
maacutes importantes en este campo son el
coeficiente de sustentacioacuten Cy y el
coeficiente de arrastre Cx que se determinan
por la Ec 5
119862119909 =119865119909
1
21205881198812119878
(119864119888 5)
Donde
Cx= Coeficiente de arrastre
Fx= Fuerza de Arrastre
ρ= Densidad del aire
V= Velocidad
S= Superficie frontal
Anaacutelisis de operacioacuten funcionamiento y
seleccioacuten de un aerogenerador
Calculando la potencia del viento
119875119907119894119890119899119905119900 =1
21205881198601199073(Ec 6)
Para determinar la potencia del viento el aire
se considera que se comporta como un gas
ideal por lo tanto es posible aplicar ecuacioacuten
de estado para gases ideales Ec7
119901119881 = 119898119877119879 (Ec 7)
Donde
p = presioacuten
V= volumen
m= masa
R= constante universal de los gases
T= temperatura
119901 =119898119877119879
119881 119901119890119903119900 119898 = 120588119881
Sustituyendo el valor de 119898 tenemos
119901 = 120588119877119879 119889119890119904119901119890119895119886119899119889119900 120588 =119901119886119905119898
119877119879
Determinando la densidad del aire a la
presioacuten atmosfeacuterica y temperatura de
Pachuca altitud 2400 metros sobre el nivel
del mar (msnm) y una temperatura
promedio de 149 degC con la Ec 8 se
convierte esta temperatura en absoluta
deg119870 = deg119862 + 273 (Ec 8)
there4 149degC + 273 = 2879
La constante universal de los gases ideales
(R) con valor de 287 Jkg degK determinando
el cambio de presioacuten atmosfeacuterica seguacuten la
altitud que se presenta en Pachuca utilizando
la Ec9
119901119886119905119898 = 0101325119898119875119886 [1 minus 00225 (ℎ
1000)]
5256
------------(Ec 9)
Para la altitud de 2400 msnm
119901119886119905119898 = 0101325 [1 minus 00225 (2400
1000)]
5256
= 007568119898119875119886 = 7568kPa
Calculando la densidad del aire
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5 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
120588 =119901119886119905119898
119877119879=
7568119896119875119886
(287119869
119896119892deg119870) (2879deg119870)
= 91592times10minus4
⟹ 91592times10minus4(1000) = 09159kg
m3
Dimensioacuten de un Rotor Eoacutelico
Aacuterea Frontal de Barrido
El aacuterea A barrida por el rotor es un paraacutemetro
muy importante de esta depende en buena
medida la potencia generada Por lo tanto
para el tamantildeo y dimensiones de un rotor
eoacutelico se determinan calculando
bull Aacuterea frontal A del mismo para ello
se le puede suponer como una
maacutequina motriz a la que de
antemano se tiene que prefijar y
asignar la energiacutea que se desea
generar
bull El promedio de energiacutea que se puede
obtener a partir de los recursos
eoacutelicos del lugar donde se vaya a
instalar el aerogenerador
Conociendo los datos energeacuteticos de la
maacutequina asiacute como los recursos eoacutelicos se
puede determinar el aacuterea A barrida por el
rotor El disentildeo de la maacutequina es
relativamente sencillo mientras que el
estudio y eleccioacuten de un lugar que cuenten
con recursos eoacutelicos puede ser maacutes
complicado por la energiacutea del viento
disponible La potencia que entrega el
aerogenerador es
119875uacute119905119894119897 =1
2120588ɳ120578 1198601199073(Ec 10)Despejando el
aacuterea119860 =2119875uacute119905119894119897
1205781205881199073ɳ
Donde
ɳ120636= es el rendimiento mecaacutenico total del
aerogenerador Esta ecuacioacuten nos permite
definir entonces factores para la correccioacuten de
datos convirtieacutendola en una ecuacioacuten de
disentildeo Ec 11
119860 =31times119875uacute119905119894119897
ɳ120636119865119862119860119862119879
(Ec 11)
Donde
F= Es un factor que depende de la velocidad
del viento y cuyos valores se indican en la
Tabla 5CA = Es un factor de correccioacuten de la
densidad del aire en funcioacuten de la altitud
CT= Es un factor de correccioacuten de
temperatura del lugar en degC
La Ec 11 permite comprobar si el aacuterea frontal
de la maacutequina corresponde con las
necesidades energeacuteticas programadas de
antemano por eso cuando se disentildea una
maacutequina eoacutelica es preciso fijar en forma
aproximada la eficiencia de la misma que es
un factor desconocido antes del disentildeo para
lo que se puede hacer uso de la tabla 4 en
funcioacuten de la velocidad del viento podemos
obtener el valor de F
Tabla 4 Valores del factor de potencia F Fuente
httptesisipnmxbitstreamhandle1|2345678910461
1425202007pdfsequence=11425202007pdfseq
uence=1
En la tabla 5 se muestra los factores de
correccioacuten tanto de altitud como la
temperatura del aire
Tabla 5 Factores de correccioacuten de densidad del
airehttptesisipnmxbitstreamhandle1|234567891
04611425202007pdfsequence=1
V(mph) 6 7 8 9 10 11
F 107 178 268 374 513 682
V(mph) 12 13 14 15 16 17
F 886 113 141 173 21 252
V(mph) 18 19 20 21 22 23
F 299 352 41 475 546 624
V(mph) 24 25 26 27 28 29
F 709 801 901 101 113 125
Altitud (m) CA Temp (degC) CT
Nivel del mar 1 -18 113
750 0898 -6 1083
1500 0819 4 104
2250 0744 16 1
3000 0676 27 0963
38 0929
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En la tabla 6 se muestra el porcentaje de la
eficiencia de algunas maacutequinas eoacutelicas
Tabla 6 valores estimados de la eficiencia de las
maacutequinas
eoacutelicashttpwwwmonografiascomtrabajos-
pdf2mecanismos-aprovechamiento-eolico-
maquinasmecanismos-aprobechamiento-eolico-
maquinaspdf
Dado un aerogenerador con las siguientes
caracteriacutesticas tabla7
Tabla 7 Datos de los equipos disponibles Catalogo
digital httpwwwbornaycom
Por lo tanto hacemos la estimacioacuten de la
eficiencia usando la tabla 6 esta tabla nos
indica una eficiencia de 20 a 30 tomaremos
un valor intermedio ɳ =25 Para la
velocidad del viento usaremos el promedio en
Pachuca de 7 ms que corresponde a 1566
mph Tomado de la tabla 4 el valor inmediato
superior de F= 21 para el factor de
correccioacuten de la temperatura el promedio en
Pachuca es 149 degC de tabla 5 CT = 1 la
densidad tiene un factor de correccioacuten de CA=
074 Sustituyendo estos valores en la Ec 6
para obtener la potencia
119875119907119894119890119899119905119900 =1
2(09159)
120587(4)2
4(7)3
= 197388 119908
Calculando el aacuterea119860 =31times119875uacute119905119894119897
120578119865119862119860119862119879
=31times19119870119908
(025)(21)(0744)(1)= 1507931198982
119863 = radic4119860
120587= radic
4(150793)
120587= 43817119898
Por lo que se tendriacutea un radio de 21908m El
aerogenerador seleccionado tiene un diaacutemetro
de 4 m dato proporcionado por el fabricante
mientras que el diaacutemetro obtenido por la
ecuacioacuten de disentildeo nos indica un diaacutemetro de
439m La diferencia en los valores de estos
diaacutemetros se presenta por que la altitud de
Pachuca en este lugar el valor de la densidad
disponible del viento disminuye la ecuacioacuten
nos indica cuanto debemos compensar el aacuterea
de barrido para que alcance la potencia
deseada seguacuten el diaacutemetro que obtuvimos La
relacioacuten de velocidad perifeacuterica TSR sirve
para comparar el funcionamiento de
maacutequinas eoacutelicas diferentes por lo que
tambieacuten se suele llamar velocidad especiacutefica
para nuestro equipo tenemos
119879119878119877 =119881119890119897119900119888119894119889119886119889 119901119890119903119894119891119890119903119894119888119886 119889119890 119897119886 119901119886119897119886
119907119890119897119900119888119894119889119886119889 119889119890119897 119907119894119890119899119905119900=
119877119882
119907
=119877times2120587(119899)
60119907= cot 120579 (Ec 12)
119879119878119877 =2119898(2120587500119903119901119898)
60(7)= 1495
119898
119904
Caacutelculo de Aprovechamiento
Rugosidad
A una gran altura de la superficie del suelo
alrededor de un kiloacutemetro la superficie
terrestre apenas ejerce influencia sobre el
viento Sin embargo en las capas maacutes bajas
de la atmoacutesfera las velocidades del viento se
ven afectadas por el rozamiento con la
superficie terrestre Esto se conoce como
rugosidad del terreno que no es maacutes que la
Maacutequina eoacutelica Eficiencia en
Construccioacuten simple Disentildeo oacuteptimo
Bomba de agua multiacutepala
10 30
Bomba de agua palas de tela
10 25
Bomba de agua Darrieux
15 30
Aeromotor Savonius 10 20
Aeromotores pequentildeos de 2Kw
20 30
Aeromotor mediano de 2 a 10Kw
20 30
Equipos grandes de maacutes de 10Kw
- 30-40
Generador eoacutelico Darrieux
15 35
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten
Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico
2) Pasivo por
inclinacioacuten
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influencia de los obstaacuteculos y del contorno
del terreno tambieacuten llamada orografiacutea del
aacuterea Estos valores de rugosidad estaacuten
definidos por los factores de distribucioacuten de
Weibull que es valor que indica cuanta
dispersioacuten del viento habraacute seguacuten la
rugosidad del lugar la velocidad del viento y
la distribucioacuten de Weibull corresponden a los
valores que se muestran en la tabla 8
Tabla 8 Rugosidad del terreno funcioacuten de la altura
httpxn--drmstrre-
64addkwpcontentwindmillerwindpower20webes
tourwrescalculathtm
La figura 2 es la graacutefica de la disminucioacuten de
velocidad en funcioacuten de lade la altura para un
factor K = 2
Fig2 Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
Factor k de Weibull es un factor que modela
la forma de la distribucioacuten de probabilidad de
Weibull Cuantos menos obstaacuteculos haya
menos dispersioacuten habraacute en la velocidad del
viento Suele usarse k=2 para instalaciones en
tierra k=3 para instalaciones en la costa y
k=4 para instalaciones en islas aunque
tambieacuten se puede tomar en cuenta la rosa de
rugosidades que describe la rugosidad del
terreno en diferentes direcciones desde el
futuro emplazamiento de una turbina eoacutelica
Las partes en las que se divide la rosa de las
rugosidades deberaacuten ser las mismas que la
rosa de los vientos La rugosidad no caeraacute en
una clase de las rugosidades Fig 3
Fig3Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
La distribucioacuten estadiacutestica de la velocidad de
viento en Pachuca se observa en la graacutefica de
la Fig4
Fig4 Valores estadiacutesticos de la velocidad del viento
httpxn-drmstrre-64addkwp-
contenetmillerwindpower20webentourwresweib
ullhtm
Descripcioacuten de Resultados
Fig 4 La mitad del aacuterea azul que estaacute a la
izquierda de la liacutenea negra corresponde a 66
Rugosidad K
0 05 1 15 2 3 4
Longitud (m)
00002 00024 003 0055 01 04 16
150 1375 1294 1181 1148 1112 1013 886
140 1368 1286 1172 1138 1101 1001 873
130 136 1277 1161 1127 109 988 858
120 1352 1268 115 1115 1078 975 843
110 1343 1257 1138 1103 1064 96 826
100 1334 1246 1125 1089 105 944 807
90 1323 1234 111 1074 1034 926 786
80 1311 122 1094 1057 1016 905 763
70 1298 1205 1076 1037 996 883 737
60 1282 1186 1054 1015 972 856 707
50 1263 1165 1029 988 945 825 672
40 1241 1139 998 956 911 787 628
30 1211 1105 958 914 867 738 572
20 117 1058 902 855 805 669 493
10 11 977 806 755 7 55 358
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metros por segundo que es la velocidad
media de la distribucioacuten esto significa que la
mitad del tiempo el viento soplaraacute a menos de
66 ms y la otra mitad soplaraacute a maacutes de 66
ms La caracteriacutestica de la graacutefica de
distribucioacuten de las velocidades del viento es
que esta sesgada lo que representa que a
veces tendraacute velocidades de viento muy altas
pero solo en muy raras ocasiones Por otro
lado las velocidades del viento que alcanzan
un valor maacutes alto de la graacutefica son de 55 ms
lo que indica que son las maacutes comunes si
multiplicamos cada diminuto intervalo de la
velocidad del viento por la probabilidad de
tener esa velocidad particular y los sumamos
todos obtenemos la velocidad del viento
media El viento tiene la desventaja de ser
impredecible y muy variable en Pachuca
Hidalgo Para evitar el efecto de turbulencia
la torre del aerogenerador se construye lo
suficientemente alta Para las condiciones
planteadas de la casa de Pachuca de Soto la
cual tiene 7m de alto por 9m de ancho genera
condiciones de frenado del viento por lo que
se hace la siguiente propuesta Fig 5
Fig5 Diagrama de las condiciones fiacutesicas de la casa
de Pachuca de Soto
Doacutende
K= 2 (factor de rugosidad) y 119907 = 7msCon el
apoyo de un programa en liacutenea de Danish
Wind Industry Association Fig 6 el cual
hace el caacutelculo del abrigo y por medio de la
graacutefica se proporciona una estimacioacuten de
coacutemo disminuye el viento tras un obstaacuteculo
que no es aerodinaacutemico
Fig6 Programa en liacutenea para caacutelculo de abrigo
httpwwwmotivafimyllarin
tuulivoimawindpower20webestourwresshelterin
dexhtm
Despueacutes de proporcionar al programa los datos
necesarios posteriormente soacutelo se selecciona la de
opcioacuten ldquoTrazar energiacutea en el vientordquo para que se
muestre la graacutefica fig7 Incluso este programa da
la opcioacuten de ldquotrazar perfil de velocidadesrdquo fig 8
Fig7 Representacioacuten de la energiacutea del viento en
porcentaje de la energiacutea del viento sin obstaacuteculos (12m
altura de
buje)httpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawindp
ower20webestourwresshelterindexhtm
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Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
ndpower20webestourwresshelterindexhtm
Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
12357 36 10 1000 09159 57547
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Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
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a) El extradoacutes que es la parte del perfil
en donde los filetes de aire estaacuten en
depresioacuten
b) El intradoacutes que es la parte del perfil
en donde los filetes de aire estaacuten en
sobrepresioacuten
Por lo que si se realiza un anaacutelisis de las
fuerzas de arrastre y de sustentacioacuten se
tendriacutea que el vector R en la direccioacuten viento
es la fuerza de arrastre mientras que la
componente de R perpendicular a la fuerza de
arrastre es la fuerza de sustentacioacuten fig1
Fig1 fuerzas de arrastre y ascensional
httpbibliotecaunsedupesaladocentesarchivospubl
icacionesfund Aerodinaacutemicos u iipd
119865119904119906119904119905119890119899119905119886119888119894oacute119899 = Rcos 120572 (Ec 3)
119865119886119903119903119886119904119905119903119890 = Rsen 120572 (Ec 4)
Podemos definir entonces que las variables
maacutes importantes en este campo son el
coeficiente de sustentacioacuten Cy y el
coeficiente de arrastre Cx que se determinan
por la Ec 5
119862119909 =119865119909
1
21205881198812119878
(119864119888 5)
Donde
Cx= Coeficiente de arrastre
Fx= Fuerza de Arrastre
ρ= Densidad del aire
V= Velocidad
S= Superficie frontal
Anaacutelisis de operacioacuten funcionamiento y
seleccioacuten de un aerogenerador
Calculando la potencia del viento
119875119907119894119890119899119905119900 =1
21205881198601199073(Ec 6)
Para determinar la potencia del viento el aire
se considera que se comporta como un gas
ideal por lo tanto es posible aplicar ecuacioacuten
de estado para gases ideales Ec7
119901119881 = 119898119877119879 (Ec 7)
Donde
p = presioacuten
V= volumen
m= masa
R= constante universal de los gases
T= temperatura
119901 =119898119877119879
119881 119901119890119903119900 119898 = 120588119881
Sustituyendo el valor de 119898 tenemos
119901 = 120588119877119879 119889119890119904119901119890119895119886119899119889119900 120588 =119901119886119905119898
119877119879
Determinando la densidad del aire a la
presioacuten atmosfeacuterica y temperatura de
Pachuca altitud 2400 metros sobre el nivel
del mar (msnm) y una temperatura
promedio de 149 degC con la Ec 8 se
convierte esta temperatura en absoluta
deg119870 = deg119862 + 273 (Ec 8)
there4 149degC + 273 = 2879
La constante universal de los gases ideales
(R) con valor de 287 Jkg degK determinando
el cambio de presioacuten atmosfeacuterica seguacuten la
altitud que se presenta en Pachuca utilizando
la Ec9
119901119886119905119898 = 0101325119898119875119886 [1 minus 00225 (ℎ
1000)]
5256
------------(Ec 9)
Para la altitud de 2400 msnm
119901119886119905119898 = 0101325 [1 minus 00225 (2400
1000)]
5256
= 007568119898119875119886 = 7568kPa
Calculando la densidad del aire
ISSN 2007-1957
5 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
120588 =119901119886119905119898
119877119879=
7568119896119875119886
(287119869
119896119892deg119870) (2879deg119870)
= 91592times10minus4
⟹ 91592times10minus4(1000) = 09159kg
m3
Dimensioacuten de un Rotor Eoacutelico
Aacuterea Frontal de Barrido
El aacuterea A barrida por el rotor es un paraacutemetro
muy importante de esta depende en buena
medida la potencia generada Por lo tanto
para el tamantildeo y dimensiones de un rotor
eoacutelico se determinan calculando
bull Aacuterea frontal A del mismo para ello
se le puede suponer como una
maacutequina motriz a la que de
antemano se tiene que prefijar y
asignar la energiacutea que se desea
generar
bull El promedio de energiacutea que se puede
obtener a partir de los recursos
eoacutelicos del lugar donde se vaya a
instalar el aerogenerador
Conociendo los datos energeacuteticos de la
maacutequina asiacute como los recursos eoacutelicos se
puede determinar el aacuterea A barrida por el
rotor El disentildeo de la maacutequina es
relativamente sencillo mientras que el
estudio y eleccioacuten de un lugar que cuenten
con recursos eoacutelicos puede ser maacutes
complicado por la energiacutea del viento
disponible La potencia que entrega el
aerogenerador es
119875uacute119905119894119897 =1
2120588ɳ120578 1198601199073(Ec 10)Despejando el
aacuterea119860 =2119875uacute119905119894119897
1205781205881199073ɳ
Donde
ɳ120636= es el rendimiento mecaacutenico total del
aerogenerador Esta ecuacioacuten nos permite
definir entonces factores para la correccioacuten de
datos convirtieacutendola en una ecuacioacuten de
disentildeo Ec 11
119860 =31times119875uacute119905119894119897
ɳ120636119865119862119860119862119879
(Ec 11)
Donde
F= Es un factor que depende de la velocidad
del viento y cuyos valores se indican en la
Tabla 5CA = Es un factor de correccioacuten de la
densidad del aire en funcioacuten de la altitud
CT= Es un factor de correccioacuten de
temperatura del lugar en degC
La Ec 11 permite comprobar si el aacuterea frontal
de la maacutequina corresponde con las
necesidades energeacuteticas programadas de
antemano por eso cuando se disentildea una
maacutequina eoacutelica es preciso fijar en forma
aproximada la eficiencia de la misma que es
un factor desconocido antes del disentildeo para
lo que se puede hacer uso de la tabla 4 en
funcioacuten de la velocidad del viento podemos
obtener el valor de F
Tabla 4 Valores del factor de potencia F Fuente
httptesisipnmxbitstreamhandle1|2345678910461
1425202007pdfsequence=11425202007pdfseq
uence=1
En la tabla 5 se muestra los factores de
correccioacuten tanto de altitud como la
temperatura del aire
Tabla 5 Factores de correccioacuten de densidad del
airehttptesisipnmxbitstreamhandle1|234567891
04611425202007pdfsequence=1
V(mph) 6 7 8 9 10 11
F 107 178 268 374 513 682
V(mph) 12 13 14 15 16 17
F 886 113 141 173 21 252
V(mph) 18 19 20 21 22 23
F 299 352 41 475 546 624
V(mph) 24 25 26 27 28 29
F 709 801 901 101 113 125
Altitud (m) CA Temp (degC) CT
Nivel del mar 1 -18 113
750 0898 -6 1083
1500 0819 4 104
2250 0744 16 1
3000 0676 27 0963
38 0929
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En la tabla 6 se muestra el porcentaje de la
eficiencia de algunas maacutequinas eoacutelicas
Tabla 6 valores estimados de la eficiencia de las
maacutequinas
eoacutelicashttpwwwmonografiascomtrabajos-
pdf2mecanismos-aprovechamiento-eolico-
maquinasmecanismos-aprobechamiento-eolico-
maquinaspdf
Dado un aerogenerador con las siguientes
caracteriacutesticas tabla7
Tabla 7 Datos de los equipos disponibles Catalogo
digital httpwwwbornaycom
Por lo tanto hacemos la estimacioacuten de la
eficiencia usando la tabla 6 esta tabla nos
indica una eficiencia de 20 a 30 tomaremos
un valor intermedio ɳ =25 Para la
velocidad del viento usaremos el promedio en
Pachuca de 7 ms que corresponde a 1566
mph Tomado de la tabla 4 el valor inmediato
superior de F= 21 para el factor de
correccioacuten de la temperatura el promedio en
Pachuca es 149 degC de tabla 5 CT = 1 la
densidad tiene un factor de correccioacuten de CA=
074 Sustituyendo estos valores en la Ec 6
para obtener la potencia
119875119907119894119890119899119905119900 =1
2(09159)
120587(4)2
4(7)3
= 197388 119908
Calculando el aacuterea119860 =31times119875uacute119905119894119897
120578119865119862119860119862119879
=31times19119870119908
(025)(21)(0744)(1)= 1507931198982
119863 = radic4119860
120587= radic
4(150793)
120587= 43817119898
Por lo que se tendriacutea un radio de 21908m El
aerogenerador seleccionado tiene un diaacutemetro
de 4 m dato proporcionado por el fabricante
mientras que el diaacutemetro obtenido por la
ecuacioacuten de disentildeo nos indica un diaacutemetro de
439m La diferencia en los valores de estos
diaacutemetros se presenta por que la altitud de
Pachuca en este lugar el valor de la densidad
disponible del viento disminuye la ecuacioacuten
nos indica cuanto debemos compensar el aacuterea
de barrido para que alcance la potencia
deseada seguacuten el diaacutemetro que obtuvimos La
relacioacuten de velocidad perifeacuterica TSR sirve
para comparar el funcionamiento de
maacutequinas eoacutelicas diferentes por lo que
tambieacuten se suele llamar velocidad especiacutefica
para nuestro equipo tenemos
119879119878119877 =119881119890119897119900119888119894119889119886119889 119901119890119903119894119891119890119903119894119888119886 119889119890 119897119886 119901119886119897119886
119907119890119897119900119888119894119889119886119889 119889119890119897 119907119894119890119899119905119900=
119877119882
119907
=119877times2120587(119899)
60119907= cot 120579 (Ec 12)
119879119878119877 =2119898(2120587500119903119901119898)
60(7)= 1495
119898
119904
Caacutelculo de Aprovechamiento
Rugosidad
A una gran altura de la superficie del suelo
alrededor de un kiloacutemetro la superficie
terrestre apenas ejerce influencia sobre el
viento Sin embargo en las capas maacutes bajas
de la atmoacutesfera las velocidades del viento se
ven afectadas por el rozamiento con la
superficie terrestre Esto se conoce como
rugosidad del terreno que no es maacutes que la
Maacutequina eoacutelica Eficiencia en
Construccioacuten simple Disentildeo oacuteptimo
Bomba de agua multiacutepala
10 30
Bomba de agua palas de tela
10 25
Bomba de agua Darrieux
15 30
Aeromotor Savonius 10 20
Aeromotores pequentildeos de 2Kw
20 30
Aeromotor mediano de 2 a 10Kw
20 30
Equipos grandes de maacutes de 10Kw
- 30-40
Generador eoacutelico Darrieux
15 35
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten
Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico
2) Pasivo por
inclinacioacuten
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influencia de los obstaacuteculos y del contorno
del terreno tambieacuten llamada orografiacutea del
aacuterea Estos valores de rugosidad estaacuten
definidos por los factores de distribucioacuten de
Weibull que es valor que indica cuanta
dispersioacuten del viento habraacute seguacuten la
rugosidad del lugar la velocidad del viento y
la distribucioacuten de Weibull corresponden a los
valores que se muestran en la tabla 8
Tabla 8 Rugosidad del terreno funcioacuten de la altura
httpxn--drmstrre-
64addkwpcontentwindmillerwindpower20webes
tourwrescalculathtm
La figura 2 es la graacutefica de la disminucioacuten de
velocidad en funcioacuten de lade la altura para un
factor K = 2
Fig2 Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
Factor k de Weibull es un factor que modela
la forma de la distribucioacuten de probabilidad de
Weibull Cuantos menos obstaacuteculos haya
menos dispersioacuten habraacute en la velocidad del
viento Suele usarse k=2 para instalaciones en
tierra k=3 para instalaciones en la costa y
k=4 para instalaciones en islas aunque
tambieacuten se puede tomar en cuenta la rosa de
rugosidades que describe la rugosidad del
terreno en diferentes direcciones desde el
futuro emplazamiento de una turbina eoacutelica
Las partes en las que se divide la rosa de las
rugosidades deberaacuten ser las mismas que la
rosa de los vientos La rugosidad no caeraacute en
una clase de las rugosidades Fig 3
Fig3Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
La distribucioacuten estadiacutestica de la velocidad de
viento en Pachuca se observa en la graacutefica de
la Fig4
Fig4 Valores estadiacutesticos de la velocidad del viento
httpxn-drmstrre-64addkwp-
contenetmillerwindpower20webentourwresweib
ullhtm
Descripcioacuten de Resultados
Fig 4 La mitad del aacuterea azul que estaacute a la
izquierda de la liacutenea negra corresponde a 66
Rugosidad K
0 05 1 15 2 3 4
Longitud (m)
00002 00024 003 0055 01 04 16
150 1375 1294 1181 1148 1112 1013 886
140 1368 1286 1172 1138 1101 1001 873
130 136 1277 1161 1127 109 988 858
120 1352 1268 115 1115 1078 975 843
110 1343 1257 1138 1103 1064 96 826
100 1334 1246 1125 1089 105 944 807
90 1323 1234 111 1074 1034 926 786
80 1311 122 1094 1057 1016 905 763
70 1298 1205 1076 1037 996 883 737
60 1282 1186 1054 1015 972 856 707
50 1263 1165 1029 988 945 825 672
40 1241 1139 998 956 911 787 628
30 1211 1105 958 914 867 738 572
20 117 1058 902 855 805 669 493
10 11 977 806 755 7 55 358
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metros por segundo que es la velocidad
media de la distribucioacuten esto significa que la
mitad del tiempo el viento soplaraacute a menos de
66 ms y la otra mitad soplaraacute a maacutes de 66
ms La caracteriacutestica de la graacutefica de
distribucioacuten de las velocidades del viento es
que esta sesgada lo que representa que a
veces tendraacute velocidades de viento muy altas
pero solo en muy raras ocasiones Por otro
lado las velocidades del viento que alcanzan
un valor maacutes alto de la graacutefica son de 55 ms
lo que indica que son las maacutes comunes si
multiplicamos cada diminuto intervalo de la
velocidad del viento por la probabilidad de
tener esa velocidad particular y los sumamos
todos obtenemos la velocidad del viento
media El viento tiene la desventaja de ser
impredecible y muy variable en Pachuca
Hidalgo Para evitar el efecto de turbulencia
la torre del aerogenerador se construye lo
suficientemente alta Para las condiciones
planteadas de la casa de Pachuca de Soto la
cual tiene 7m de alto por 9m de ancho genera
condiciones de frenado del viento por lo que
se hace la siguiente propuesta Fig 5
Fig5 Diagrama de las condiciones fiacutesicas de la casa
de Pachuca de Soto
Doacutende
K= 2 (factor de rugosidad) y 119907 = 7msCon el
apoyo de un programa en liacutenea de Danish
Wind Industry Association Fig 6 el cual
hace el caacutelculo del abrigo y por medio de la
graacutefica se proporciona una estimacioacuten de
coacutemo disminuye el viento tras un obstaacuteculo
que no es aerodinaacutemico
Fig6 Programa en liacutenea para caacutelculo de abrigo
httpwwwmotivafimyllarin
tuulivoimawindpower20webestourwresshelterin
dexhtm
Despueacutes de proporcionar al programa los datos
necesarios posteriormente soacutelo se selecciona la de
opcioacuten ldquoTrazar energiacutea en el vientordquo para que se
muestre la graacutefica fig7 Incluso este programa da
la opcioacuten de ldquotrazar perfil de velocidadesrdquo fig 8
Fig7 Representacioacuten de la energiacutea del viento en
porcentaje de la energiacutea del viento sin obstaacuteculos (12m
altura de
buje)httpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawindp
ower20webestourwresshelterindexhtm
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Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
ndpower20webestourwresshelterindexhtm
Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
12357 36 10 1000 09159 57547
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Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
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120588 =119901119886119905119898
119877119879=
7568119896119875119886
(287119869
119896119892deg119870) (2879deg119870)
= 91592times10minus4
⟹ 91592times10minus4(1000) = 09159kg
m3
Dimensioacuten de un Rotor Eoacutelico
Aacuterea Frontal de Barrido
El aacuterea A barrida por el rotor es un paraacutemetro
muy importante de esta depende en buena
medida la potencia generada Por lo tanto
para el tamantildeo y dimensiones de un rotor
eoacutelico se determinan calculando
bull Aacuterea frontal A del mismo para ello
se le puede suponer como una
maacutequina motriz a la que de
antemano se tiene que prefijar y
asignar la energiacutea que se desea
generar
bull El promedio de energiacutea que se puede
obtener a partir de los recursos
eoacutelicos del lugar donde se vaya a
instalar el aerogenerador
Conociendo los datos energeacuteticos de la
maacutequina asiacute como los recursos eoacutelicos se
puede determinar el aacuterea A barrida por el
rotor El disentildeo de la maacutequina es
relativamente sencillo mientras que el
estudio y eleccioacuten de un lugar que cuenten
con recursos eoacutelicos puede ser maacutes
complicado por la energiacutea del viento
disponible La potencia que entrega el
aerogenerador es
119875uacute119905119894119897 =1
2120588ɳ120578 1198601199073(Ec 10)Despejando el
aacuterea119860 =2119875uacute119905119894119897
1205781205881199073ɳ
Donde
ɳ120636= es el rendimiento mecaacutenico total del
aerogenerador Esta ecuacioacuten nos permite
definir entonces factores para la correccioacuten de
datos convirtieacutendola en una ecuacioacuten de
disentildeo Ec 11
119860 =31times119875uacute119905119894119897
ɳ120636119865119862119860119862119879
(Ec 11)
Donde
F= Es un factor que depende de la velocidad
del viento y cuyos valores se indican en la
Tabla 5CA = Es un factor de correccioacuten de la
densidad del aire en funcioacuten de la altitud
CT= Es un factor de correccioacuten de
temperatura del lugar en degC
La Ec 11 permite comprobar si el aacuterea frontal
de la maacutequina corresponde con las
necesidades energeacuteticas programadas de
antemano por eso cuando se disentildea una
maacutequina eoacutelica es preciso fijar en forma
aproximada la eficiencia de la misma que es
un factor desconocido antes del disentildeo para
lo que se puede hacer uso de la tabla 4 en
funcioacuten de la velocidad del viento podemos
obtener el valor de F
Tabla 4 Valores del factor de potencia F Fuente
httptesisipnmxbitstreamhandle1|2345678910461
1425202007pdfsequence=11425202007pdfseq
uence=1
En la tabla 5 se muestra los factores de
correccioacuten tanto de altitud como la
temperatura del aire
Tabla 5 Factores de correccioacuten de densidad del
airehttptesisipnmxbitstreamhandle1|234567891
04611425202007pdfsequence=1
V(mph) 6 7 8 9 10 11
F 107 178 268 374 513 682
V(mph) 12 13 14 15 16 17
F 886 113 141 173 21 252
V(mph) 18 19 20 21 22 23
F 299 352 41 475 546 624
V(mph) 24 25 26 27 28 29
F 709 801 901 101 113 125
Altitud (m) CA Temp (degC) CT
Nivel del mar 1 -18 113
750 0898 -6 1083
1500 0819 4 104
2250 0744 16 1
3000 0676 27 0963
38 0929
ISSN 2007-1957
6 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
En la tabla 6 se muestra el porcentaje de la
eficiencia de algunas maacutequinas eoacutelicas
Tabla 6 valores estimados de la eficiencia de las
maacutequinas
eoacutelicashttpwwwmonografiascomtrabajos-
pdf2mecanismos-aprovechamiento-eolico-
maquinasmecanismos-aprobechamiento-eolico-
maquinaspdf
Dado un aerogenerador con las siguientes
caracteriacutesticas tabla7
Tabla 7 Datos de los equipos disponibles Catalogo
digital httpwwwbornaycom
Por lo tanto hacemos la estimacioacuten de la
eficiencia usando la tabla 6 esta tabla nos
indica una eficiencia de 20 a 30 tomaremos
un valor intermedio ɳ =25 Para la
velocidad del viento usaremos el promedio en
Pachuca de 7 ms que corresponde a 1566
mph Tomado de la tabla 4 el valor inmediato
superior de F= 21 para el factor de
correccioacuten de la temperatura el promedio en
Pachuca es 149 degC de tabla 5 CT = 1 la
densidad tiene un factor de correccioacuten de CA=
074 Sustituyendo estos valores en la Ec 6
para obtener la potencia
119875119907119894119890119899119905119900 =1
2(09159)
120587(4)2
4(7)3
= 197388 119908
Calculando el aacuterea119860 =31times119875uacute119905119894119897
120578119865119862119860119862119879
=31times19119870119908
(025)(21)(0744)(1)= 1507931198982
119863 = radic4119860
120587= radic
4(150793)
120587= 43817119898
Por lo que se tendriacutea un radio de 21908m El
aerogenerador seleccionado tiene un diaacutemetro
de 4 m dato proporcionado por el fabricante
mientras que el diaacutemetro obtenido por la
ecuacioacuten de disentildeo nos indica un diaacutemetro de
439m La diferencia en los valores de estos
diaacutemetros se presenta por que la altitud de
Pachuca en este lugar el valor de la densidad
disponible del viento disminuye la ecuacioacuten
nos indica cuanto debemos compensar el aacuterea
de barrido para que alcance la potencia
deseada seguacuten el diaacutemetro que obtuvimos La
relacioacuten de velocidad perifeacuterica TSR sirve
para comparar el funcionamiento de
maacutequinas eoacutelicas diferentes por lo que
tambieacuten se suele llamar velocidad especiacutefica
para nuestro equipo tenemos
119879119878119877 =119881119890119897119900119888119894119889119886119889 119901119890119903119894119891119890119903119894119888119886 119889119890 119897119886 119901119886119897119886
119907119890119897119900119888119894119889119886119889 119889119890119897 119907119894119890119899119905119900=
119877119882
119907
=119877times2120587(119899)
60119907= cot 120579 (Ec 12)
119879119878119877 =2119898(2120587500119903119901119898)
60(7)= 1495
119898
119904
Caacutelculo de Aprovechamiento
Rugosidad
A una gran altura de la superficie del suelo
alrededor de un kiloacutemetro la superficie
terrestre apenas ejerce influencia sobre el
viento Sin embargo en las capas maacutes bajas
de la atmoacutesfera las velocidades del viento se
ven afectadas por el rozamiento con la
superficie terrestre Esto se conoce como
rugosidad del terreno que no es maacutes que la
Maacutequina eoacutelica Eficiencia en
Construccioacuten simple Disentildeo oacuteptimo
Bomba de agua multiacutepala
10 30
Bomba de agua palas de tela
10 25
Bomba de agua Darrieux
15 30
Aeromotor Savonius 10 20
Aeromotores pequentildeos de 2Kw
20 30
Aeromotor mediano de 2 a 10Kw
20 30
Equipos grandes de maacutes de 10Kw
- 30-40
Generador eoacutelico Darrieux
15 35
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten
Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico
2) Pasivo por
inclinacioacuten
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influencia de los obstaacuteculos y del contorno
del terreno tambieacuten llamada orografiacutea del
aacuterea Estos valores de rugosidad estaacuten
definidos por los factores de distribucioacuten de
Weibull que es valor que indica cuanta
dispersioacuten del viento habraacute seguacuten la
rugosidad del lugar la velocidad del viento y
la distribucioacuten de Weibull corresponden a los
valores que se muestran en la tabla 8
Tabla 8 Rugosidad del terreno funcioacuten de la altura
httpxn--drmstrre-
64addkwpcontentwindmillerwindpower20webes
tourwrescalculathtm
La figura 2 es la graacutefica de la disminucioacuten de
velocidad en funcioacuten de lade la altura para un
factor K = 2
Fig2 Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
Factor k de Weibull es un factor que modela
la forma de la distribucioacuten de probabilidad de
Weibull Cuantos menos obstaacuteculos haya
menos dispersioacuten habraacute en la velocidad del
viento Suele usarse k=2 para instalaciones en
tierra k=3 para instalaciones en la costa y
k=4 para instalaciones en islas aunque
tambieacuten se puede tomar en cuenta la rosa de
rugosidades que describe la rugosidad del
terreno en diferentes direcciones desde el
futuro emplazamiento de una turbina eoacutelica
Las partes en las que se divide la rosa de las
rugosidades deberaacuten ser las mismas que la
rosa de los vientos La rugosidad no caeraacute en
una clase de las rugosidades Fig 3
Fig3Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
La distribucioacuten estadiacutestica de la velocidad de
viento en Pachuca se observa en la graacutefica de
la Fig4
Fig4 Valores estadiacutesticos de la velocidad del viento
httpxn-drmstrre-64addkwp-
contenetmillerwindpower20webentourwresweib
ullhtm
Descripcioacuten de Resultados
Fig 4 La mitad del aacuterea azul que estaacute a la
izquierda de la liacutenea negra corresponde a 66
Rugosidad K
0 05 1 15 2 3 4
Longitud (m)
00002 00024 003 0055 01 04 16
150 1375 1294 1181 1148 1112 1013 886
140 1368 1286 1172 1138 1101 1001 873
130 136 1277 1161 1127 109 988 858
120 1352 1268 115 1115 1078 975 843
110 1343 1257 1138 1103 1064 96 826
100 1334 1246 1125 1089 105 944 807
90 1323 1234 111 1074 1034 926 786
80 1311 122 1094 1057 1016 905 763
70 1298 1205 1076 1037 996 883 737
60 1282 1186 1054 1015 972 856 707
50 1263 1165 1029 988 945 825 672
40 1241 1139 998 956 911 787 628
30 1211 1105 958 914 867 738 572
20 117 1058 902 855 805 669 493
10 11 977 806 755 7 55 358
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metros por segundo que es la velocidad
media de la distribucioacuten esto significa que la
mitad del tiempo el viento soplaraacute a menos de
66 ms y la otra mitad soplaraacute a maacutes de 66
ms La caracteriacutestica de la graacutefica de
distribucioacuten de las velocidades del viento es
que esta sesgada lo que representa que a
veces tendraacute velocidades de viento muy altas
pero solo en muy raras ocasiones Por otro
lado las velocidades del viento que alcanzan
un valor maacutes alto de la graacutefica son de 55 ms
lo que indica que son las maacutes comunes si
multiplicamos cada diminuto intervalo de la
velocidad del viento por la probabilidad de
tener esa velocidad particular y los sumamos
todos obtenemos la velocidad del viento
media El viento tiene la desventaja de ser
impredecible y muy variable en Pachuca
Hidalgo Para evitar el efecto de turbulencia
la torre del aerogenerador se construye lo
suficientemente alta Para las condiciones
planteadas de la casa de Pachuca de Soto la
cual tiene 7m de alto por 9m de ancho genera
condiciones de frenado del viento por lo que
se hace la siguiente propuesta Fig 5
Fig5 Diagrama de las condiciones fiacutesicas de la casa
de Pachuca de Soto
Doacutende
K= 2 (factor de rugosidad) y 119907 = 7msCon el
apoyo de un programa en liacutenea de Danish
Wind Industry Association Fig 6 el cual
hace el caacutelculo del abrigo y por medio de la
graacutefica se proporciona una estimacioacuten de
coacutemo disminuye el viento tras un obstaacuteculo
que no es aerodinaacutemico
Fig6 Programa en liacutenea para caacutelculo de abrigo
httpwwwmotivafimyllarin
tuulivoimawindpower20webestourwresshelterin
dexhtm
Despueacutes de proporcionar al programa los datos
necesarios posteriormente soacutelo se selecciona la de
opcioacuten ldquoTrazar energiacutea en el vientordquo para que se
muestre la graacutefica fig7 Incluso este programa da
la opcioacuten de ldquotrazar perfil de velocidadesrdquo fig 8
Fig7 Representacioacuten de la energiacutea del viento en
porcentaje de la energiacutea del viento sin obstaacuteculos (12m
altura de
buje)httpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawindp
ower20webestourwresshelterindexhtm
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Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
ndpower20webestourwresshelterindexhtm
Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
12357 36 10 1000 09159 57547
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Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
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En la tabla 6 se muestra el porcentaje de la
eficiencia de algunas maacutequinas eoacutelicas
Tabla 6 valores estimados de la eficiencia de las
maacutequinas
eoacutelicashttpwwwmonografiascomtrabajos-
pdf2mecanismos-aprovechamiento-eolico-
maquinasmecanismos-aprobechamiento-eolico-
maquinaspdf
Dado un aerogenerador con las siguientes
caracteriacutesticas tabla7
Tabla 7 Datos de los equipos disponibles Catalogo
digital httpwwwbornaycom
Por lo tanto hacemos la estimacioacuten de la
eficiencia usando la tabla 6 esta tabla nos
indica una eficiencia de 20 a 30 tomaremos
un valor intermedio ɳ =25 Para la
velocidad del viento usaremos el promedio en
Pachuca de 7 ms que corresponde a 1566
mph Tomado de la tabla 4 el valor inmediato
superior de F= 21 para el factor de
correccioacuten de la temperatura el promedio en
Pachuca es 149 degC de tabla 5 CT = 1 la
densidad tiene un factor de correccioacuten de CA=
074 Sustituyendo estos valores en la Ec 6
para obtener la potencia
119875119907119894119890119899119905119900 =1
2(09159)
120587(4)2
4(7)3
= 197388 119908
Calculando el aacuterea119860 =31times119875uacute119905119894119897
120578119865119862119860119862119879
=31times19119870119908
(025)(21)(0744)(1)= 1507931198982
119863 = radic4119860
120587= radic
4(150793)
120587= 43817119898
Por lo que se tendriacutea un radio de 21908m El
aerogenerador seleccionado tiene un diaacutemetro
de 4 m dato proporcionado por el fabricante
mientras que el diaacutemetro obtenido por la
ecuacioacuten de disentildeo nos indica un diaacutemetro de
439m La diferencia en los valores de estos
diaacutemetros se presenta por que la altitud de
Pachuca en este lugar el valor de la densidad
disponible del viento disminuye la ecuacioacuten
nos indica cuanto debemos compensar el aacuterea
de barrido para que alcance la potencia
deseada seguacuten el diaacutemetro que obtuvimos La
relacioacuten de velocidad perifeacuterica TSR sirve
para comparar el funcionamiento de
maacutequinas eoacutelicas diferentes por lo que
tambieacuten se suele llamar velocidad especiacutefica
para nuestro equipo tenemos
119879119878119877 =119881119890119897119900119888119894119889119886119889 119901119890119903119894119891119890119903119894119888119886 119889119890 119897119886 119901119886119897119886
119907119890119897119900119888119894119889119886119889 119889119890119897 119907119894119890119899119905119900=
119877119882
119907
=119877times2120587(119899)
60119907= cot 120579 (Ec 12)
119879119878119877 =2119898(2120587500119903119901119898)
60(7)= 1495
119898
119904
Caacutelculo de Aprovechamiento
Rugosidad
A una gran altura de la superficie del suelo
alrededor de un kiloacutemetro la superficie
terrestre apenas ejerce influencia sobre el
viento Sin embargo en las capas maacutes bajas
de la atmoacutesfera las velocidades del viento se
ven afectadas por el rozamiento con la
superficie terrestre Esto se conoce como
rugosidad del terreno que no es maacutes que la
Maacutequina eoacutelica Eficiencia en
Construccioacuten simple Disentildeo oacuteptimo
Bomba de agua multiacutepala
10 30
Bomba de agua palas de tela
10 25
Bomba de agua Darrieux
15 30
Aeromotor Savonius 10 20
Aeromotores pequentildeos de 2Kw
20 30
Aeromotor mediano de 2 a 10Kw
20 30
Equipos grandes de maacutes de 10Kw
- 30-40
Generador eoacutelico Darrieux
15 35
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten
Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico
2) Pasivo por
inclinacioacuten
ISSN 2007-1957
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influencia de los obstaacuteculos y del contorno
del terreno tambieacuten llamada orografiacutea del
aacuterea Estos valores de rugosidad estaacuten
definidos por los factores de distribucioacuten de
Weibull que es valor que indica cuanta
dispersioacuten del viento habraacute seguacuten la
rugosidad del lugar la velocidad del viento y
la distribucioacuten de Weibull corresponden a los
valores que se muestran en la tabla 8
Tabla 8 Rugosidad del terreno funcioacuten de la altura
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64addkwpcontentwindmillerwindpower20webes
tourwrescalculathtm
La figura 2 es la graacutefica de la disminucioacuten de
velocidad en funcioacuten de lade la altura para un
factor K = 2
Fig2 Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
Factor k de Weibull es un factor que modela
la forma de la distribucioacuten de probabilidad de
Weibull Cuantos menos obstaacuteculos haya
menos dispersioacuten habraacute en la velocidad del
viento Suele usarse k=2 para instalaciones en
tierra k=3 para instalaciones en la costa y
k=4 para instalaciones en islas aunque
tambieacuten se puede tomar en cuenta la rosa de
rugosidades que describe la rugosidad del
terreno en diferentes direcciones desde el
futuro emplazamiento de una turbina eoacutelica
Las partes en las que se divide la rosa de las
rugosidades deberaacuten ser las mismas que la
rosa de los vientos La rugosidad no caeraacute en
una clase de las rugosidades Fig 3
Fig3Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
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contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
La distribucioacuten estadiacutestica de la velocidad de
viento en Pachuca se observa en la graacutefica de
la Fig4
Fig4 Valores estadiacutesticos de la velocidad del viento
httpxn-drmstrre-64addkwp-
contenetmillerwindpower20webentourwresweib
ullhtm
Descripcioacuten de Resultados
Fig 4 La mitad del aacuterea azul que estaacute a la
izquierda de la liacutenea negra corresponde a 66
Rugosidad K
0 05 1 15 2 3 4
Longitud (m)
00002 00024 003 0055 01 04 16
150 1375 1294 1181 1148 1112 1013 886
140 1368 1286 1172 1138 1101 1001 873
130 136 1277 1161 1127 109 988 858
120 1352 1268 115 1115 1078 975 843
110 1343 1257 1138 1103 1064 96 826
100 1334 1246 1125 1089 105 944 807
90 1323 1234 111 1074 1034 926 786
80 1311 122 1094 1057 1016 905 763
70 1298 1205 1076 1037 996 883 737
60 1282 1186 1054 1015 972 856 707
50 1263 1165 1029 988 945 825 672
40 1241 1139 998 956 911 787 628
30 1211 1105 958 914 867 738 572
20 117 1058 902 855 805 669 493
10 11 977 806 755 7 55 358
ISSN 2007-1957
8 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
metros por segundo que es la velocidad
media de la distribucioacuten esto significa que la
mitad del tiempo el viento soplaraacute a menos de
66 ms y la otra mitad soplaraacute a maacutes de 66
ms La caracteriacutestica de la graacutefica de
distribucioacuten de las velocidades del viento es
que esta sesgada lo que representa que a
veces tendraacute velocidades de viento muy altas
pero solo en muy raras ocasiones Por otro
lado las velocidades del viento que alcanzan
un valor maacutes alto de la graacutefica son de 55 ms
lo que indica que son las maacutes comunes si
multiplicamos cada diminuto intervalo de la
velocidad del viento por la probabilidad de
tener esa velocidad particular y los sumamos
todos obtenemos la velocidad del viento
media El viento tiene la desventaja de ser
impredecible y muy variable en Pachuca
Hidalgo Para evitar el efecto de turbulencia
la torre del aerogenerador se construye lo
suficientemente alta Para las condiciones
planteadas de la casa de Pachuca de Soto la
cual tiene 7m de alto por 9m de ancho genera
condiciones de frenado del viento por lo que
se hace la siguiente propuesta Fig 5
Fig5 Diagrama de las condiciones fiacutesicas de la casa
de Pachuca de Soto
Doacutende
K= 2 (factor de rugosidad) y 119907 = 7msCon el
apoyo de un programa en liacutenea de Danish
Wind Industry Association Fig 6 el cual
hace el caacutelculo del abrigo y por medio de la
graacutefica se proporciona una estimacioacuten de
coacutemo disminuye el viento tras un obstaacuteculo
que no es aerodinaacutemico
Fig6 Programa en liacutenea para caacutelculo de abrigo
httpwwwmotivafimyllarin
tuulivoimawindpower20webestourwresshelterin
dexhtm
Despueacutes de proporcionar al programa los datos
necesarios posteriormente soacutelo se selecciona la de
opcioacuten ldquoTrazar energiacutea en el vientordquo para que se
muestre la graacutefica fig7 Incluso este programa da
la opcioacuten de ldquotrazar perfil de velocidadesrdquo fig 8
Fig7 Representacioacuten de la energiacutea del viento en
porcentaje de la energiacutea del viento sin obstaacuteculos (12m
altura de
buje)httpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawindp
ower20webestourwresshelterindexhtm
ISSN 2007-1957
9 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
ndpower20webestourwresshelterindexhtm
Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
12357 36 10 1000 09159 57547
ISSN 2007-1957
10 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
ISSN 2007-1957
7 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
influencia de los obstaacuteculos y del contorno
del terreno tambieacuten llamada orografiacutea del
aacuterea Estos valores de rugosidad estaacuten
definidos por los factores de distribucioacuten de
Weibull que es valor que indica cuanta
dispersioacuten del viento habraacute seguacuten la
rugosidad del lugar la velocidad del viento y
la distribucioacuten de Weibull corresponden a los
valores que se muestran en la tabla 8
Tabla 8 Rugosidad del terreno funcioacuten de la altura
httpxn--drmstrre-
64addkwpcontentwindmillerwindpower20webes
tourwrescalculathtm
La figura 2 es la graacutefica de la disminucioacuten de
velocidad en funcioacuten de lade la altura para un
factor K = 2
Fig2 Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
Factor k de Weibull es un factor que modela
la forma de la distribucioacuten de probabilidad de
Weibull Cuantos menos obstaacuteculos haya
menos dispersioacuten habraacute en la velocidad del
viento Suele usarse k=2 para instalaciones en
tierra k=3 para instalaciones en la costa y
k=4 para instalaciones en islas aunque
tambieacuten se puede tomar en cuenta la rosa de
rugosidades que describe la rugosidad del
terreno en diferentes direcciones desde el
futuro emplazamiento de una turbina eoacutelica
Las partes en las que se divide la rosa de las
rugosidades deberaacuten ser las mismas que la
rosa de los vientos La rugosidad no caeraacute en
una clase de las rugosidades Fig 3
Fig3Graacutefica de variacioacuten de la velocidad
httpxn--drmstrre-64addkwp-
contentwindmillerwindpower20webestourwress
hearhtm
La distribucioacuten estadiacutestica de la velocidad de
viento en Pachuca se observa en la graacutefica de
la Fig4
Fig4 Valores estadiacutesticos de la velocidad del viento
httpxn-drmstrre-64addkwp-
contenetmillerwindpower20webentourwresweib
ullhtm
Descripcioacuten de Resultados
Fig 4 La mitad del aacuterea azul que estaacute a la
izquierda de la liacutenea negra corresponde a 66
Rugosidad K
0 05 1 15 2 3 4
Longitud (m)
00002 00024 003 0055 01 04 16
150 1375 1294 1181 1148 1112 1013 886
140 1368 1286 1172 1138 1101 1001 873
130 136 1277 1161 1127 109 988 858
120 1352 1268 115 1115 1078 975 843
110 1343 1257 1138 1103 1064 96 826
100 1334 1246 1125 1089 105 944 807
90 1323 1234 111 1074 1034 926 786
80 1311 122 1094 1057 1016 905 763
70 1298 1205 1076 1037 996 883 737
60 1282 1186 1054 1015 972 856 707
50 1263 1165 1029 988 945 825 672
40 1241 1139 998 956 911 787 628
30 1211 1105 958 914 867 738 572
20 117 1058 902 855 805 669 493
10 11 977 806 755 7 55 358
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metros por segundo que es la velocidad
media de la distribucioacuten esto significa que la
mitad del tiempo el viento soplaraacute a menos de
66 ms y la otra mitad soplaraacute a maacutes de 66
ms La caracteriacutestica de la graacutefica de
distribucioacuten de las velocidades del viento es
que esta sesgada lo que representa que a
veces tendraacute velocidades de viento muy altas
pero solo en muy raras ocasiones Por otro
lado las velocidades del viento que alcanzan
un valor maacutes alto de la graacutefica son de 55 ms
lo que indica que son las maacutes comunes si
multiplicamos cada diminuto intervalo de la
velocidad del viento por la probabilidad de
tener esa velocidad particular y los sumamos
todos obtenemos la velocidad del viento
media El viento tiene la desventaja de ser
impredecible y muy variable en Pachuca
Hidalgo Para evitar el efecto de turbulencia
la torre del aerogenerador se construye lo
suficientemente alta Para las condiciones
planteadas de la casa de Pachuca de Soto la
cual tiene 7m de alto por 9m de ancho genera
condiciones de frenado del viento por lo que
se hace la siguiente propuesta Fig 5
Fig5 Diagrama de las condiciones fiacutesicas de la casa
de Pachuca de Soto
Doacutende
K= 2 (factor de rugosidad) y 119907 = 7msCon el
apoyo de un programa en liacutenea de Danish
Wind Industry Association Fig 6 el cual
hace el caacutelculo del abrigo y por medio de la
graacutefica se proporciona una estimacioacuten de
coacutemo disminuye el viento tras un obstaacuteculo
que no es aerodinaacutemico
Fig6 Programa en liacutenea para caacutelculo de abrigo
httpwwwmotivafimyllarin
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dexhtm
Despueacutes de proporcionar al programa los datos
necesarios posteriormente soacutelo se selecciona la de
opcioacuten ldquoTrazar energiacutea en el vientordquo para que se
muestre la graacutefica fig7 Incluso este programa da
la opcioacuten de ldquotrazar perfil de velocidadesrdquo fig 8
Fig7 Representacioacuten de la energiacutea del viento en
porcentaje de la energiacutea del viento sin obstaacuteculos (12m
altura de
buje)httpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawindp
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Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
ndpower20webestourwresshelterindexhtm
Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
12357 36 10 1000 09159 57547
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Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
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metros por segundo que es la velocidad
media de la distribucioacuten esto significa que la
mitad del tiempo el viento soplaraacute a menos de
66 ms y la otra mitad soplaraacute a maacutes de 66
ms La caracteriacutestica de la graacutefica de
distribucioacuten de las velocidades del viento es
que esta sesgada lo que representa que a
veces tendraacute velocidades de viento muy altas
pero solo en muy raras ocasiones Por otro
lado las velocidades del viento que alcanzan
un valor maacutes alto de la graacutefica son de 55 ms
lo que indica que son las maacutes comunes si
multiplicamos cada diminuto intervalo de la
velocidad del viento por la probabilidad de
tener esa velocidad particular y los sumamos
todos obtenemos la velocidad del viento
media El viento tiene la desventaja de ser
impredecible y muy variable en Pachuca
Hidalgo Para evitar el efecto de turbulencia
la torre del aerogenerador se construye lo
suficientemente alta Para las condiciones
planteadas de la casa de Pachuca de Soto la
cual tiene 7m de alto por 9m de ancho genera
condiciones de frenado del viento por lo que
se hace la siguiente propuesta Fig 5
Fig5 Diagrama de las condiciones fiacutesicas de la casa
de Pachuca de Soto
Doacutende
K= 2 (factor de rugosidad) y 119907 = 7msCon el
apoyo de un programa en liacutenea de Danish
Wind Industry Association Fig 6 el cual
hace el caacutelculo del abrigo y por medio de la
graacutefica se proporciona una estimacioacuten de
coacutemo disminuye el viento tras un obstaacuteculo
que no es aerodinaacutemico
Fig6 Programa en liacutenea para caacutelculo de abrigo
httpwwwmotivafimyllarin
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dexhtm
Despueacutes de proporcionar al programa los datos
necesarios posteriormente soacutelo se selecciona la de
opcioacuten ldquoTrazar energiacutea en el vientordquo para que se
muestre la graacutefica fig7 Incluso este programa da
la opcioacuten de ldquotrazar perfil de velocidadesrdquo fig 8
Fig7 Representacioacuten de la energiacutea del viento en
porcentaje de la energiacutea del viento sin obstaacuteculos (12m
altura de
buje)httpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawindp
ower20webestourwresshelterindexhtm
ISSN 2007-1957
9 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
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Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
12357 36 10 1000 09159 57547
ISSN 2007-1957
10 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
ISSN 2007-1957
9 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
Fig8 Representacioacuten del efecto del
obstaacuteculohttpwwwmotivafimyllarin_tuulivoimawi
ndpower20webestourwresshelterindexhtm
Caacutelculo de la potencia para el equipo
seleccionado
Con los datos obtenidos del anaacutelisis se
selecciona el equipo en el mercado fig9
Fig 9 Modelo Bornay 3000httpwwwbornaycom
En la fig10 se muestra las dimensiones del
modelo Bornay 300
Fig 10 Dimensiones del aerogenerador Bornay
3000Catalogo_bornay-aerogeneradorespdf
En la tabla 9 se muestran las especificaciones
del aerogenerador de mini eoacutelica Bornay
3000
Tabla| 9 Catalogo digital httpwwwbornaycom
Con los datos obtenidos del equipo y del
lugar se hacen los caacutelculos para determinar la
potencia indicada en la taba 10
Tabla 10 Resultados de la Memoria de caacutelculo
Fuente Autor
Especificaciones teacutecnicas
Nuacutemero de heacutelices 2
Diaacutemetro 4m
Material Fibra de vidriocarbono
Direccioacuten de rotacioacuten Contrario a las agujas del reloj
Sistema de control 1) Regulador electroacutenico 2) Pasivo por inclinacioacuten
Especificaciones eleacutectricas
Alternador Trifaacutesico de imanes permanentes
Imanes Neodimio
Potencia nominal 3000W
Voltaje 24 48 120 (v)
RPM 500
Regulador 24v 150 A 48v 75 A 120v Conexioacuten a red
Velocidad de viento
Para arranque 35 ms
Para potencia nominal 12 ms
Para frenado automaacutetico 14 ms
Maacutexima velocidad de viento
60 ms
Diaacutemetro Aacuterea Velocidad Velocidad V3
Densidad
del aire
(kgm3)
Potencia
(m) (m2) (Kmh) (ms) (W)
12357 10 277778 21433 09159 12334
12357 12 333333 37037 09159 21314
12357 14 388889 58813 09159 33846
12357 16 444444 87791 09159 50522
12357 18 5 125 09159 71934
12357 20 555556 17147 09159 98675
4 12357 22 611111 22822 09159 13134
12357 24 666667 2963 09159 17051
12357 26 722222 37671 09159 21679
12357 28 777778 47051 09159 27076
12357 30 833333 5787 09159 33303
12357 32 888889 70233 09159 40417
12357 34 944444 84242 09159 48479
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Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw
ISSN 2007-1957
10 Ejemplar 16 Enero-junio 2017
Caacutelculo de Aprovechamiento
Con el fin de determinar cuanta energiacutea
estamos produciendo realmente se calcula la
produccioacuten anual de energiacutea eleacutectrica y para
esto se utiliza la siguiente ecuacioacuten que
estima la cantidad en kWhr
119864 = (ℎ119875119879119865)119879 (Ec 13)
Donde
E= produccioacuten de energiacutea anual
h= es el nuacutemero de horas que tiene un antildeo
(8760 hrsantildeo)
PT= es la potencia nominal de la turbina En
que unidades
F= es un factor neto de captacioacuten
T= corresponde al nuacutemero de turbinas
El factor de captacioacuten alcanza valores de
F=025 y en lugares ventosos alcanza 035 y
040 (35 a 40 de la captacioacuten del viento)
Por lo tanto 119864 = (8760 ℎ119903 119886ntilde119900frasl )(15119896119882)
= 3285 119896119882ℎ119903 119886ntilde119900frasl
De los datos reunidos podemos obtener los
resultados que se indican en la Tabla 11
Tabla 11 Valores del caacutelculo energeacutetico Fuente Autor
Resultados
Este trabajo muestra la viabilidad de generar
energiacutea eleacutectrica utilizando una maacutequina
eoacutelica movida por el viento a una altura de
2400 msnm cuya densidad es de 09159
kgm3 comparada con la del nivel del mar que
es de 129 kgm3 para alimentar a una casa
habitacioacuten con la memoria de caacutelculo se
determina el tamantildeo del aerogenerador y la
altura de la torre donde se instalaraacute la
potencia del aerogenerador aumenta si la
velocidad del viento aumenta tambieacuten
Conclusioacuten
La generacioacuten de energiacutea eleacutectrica a traveacutes de
medios diferentes a las termoeleacutectricas trae
muchos beneficios disminuye las partiacuteculas
contaminantes en la atmosfera se puede
suministrar a escuelas viviendas hospitales
rurales de difiacutecil acceso para cableado
eleacutectrico Quizaacute una desventaja de estas
maacutequinas sea su tamantildeo y la poca potencia
generada sin embargo la implementacioacuten de
estas maacutequinas es la oportunidad para dejar
de quemar combustoacuteleo y cuidar el medio
ambiente
Bibliografiacutea
Escudero J M y Bornay J (2004) Manual de Energiacutea Eoacutelica Investigacioacuten Disentildeo Promocioacuten Construccioacuten y Explotacioacuten de Distinto Mundiacute-Prensa 471
Gonzaacutelez J (2009) Energiacuteas renovables Reverte670
Perales B T (2009) Guiacutea de instalacioacuten de energiacuteas renovables Creaciones Copyrighgt 254
Villarrubia M (2004)Energiacutea eoacutelicaGrupo planeta (GBS)328
Caacutelculo energeacutetico
Velocidad del viento 66 ms
Factor K Weibull 2
Altitud (m) 2400
Altura de la Torre (m) 12
Factor de turbulencia 5
Potencia nominal 17Kw