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Estudio, modelado y creación de aerogeneradores tipo Savonius
Resumen.
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las
emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de energía a base
de combustibles fósiles, además es necesario contar con información confiable
sobre el régimen del viento en un lugar y considerarla para las determinar y diseñar
las características de un equipo eólico.
Por lo que en este trabajo se realizó la construcción de un prototipo de
aerogenerador tipo Savonius de bajo costo cuyo principal objetivo es el suministrar
energía a alguna zona de la escuela con base en las características de la velocidad
del viento. Las medidas del aerogenerador se elaboraron con base en el potencial
teórico requerido para poder cargar una batería de 3 V 800 mA la cual en
determinado momento se puede utilizar para cargar un celular.
Las velocidades del viento influyen en la potencia del aerogenerador y por ende en
la generación de energía por lo que para las velocidades disponibles en el plantel la
dimensión de las aspas del aerogenerador fue de 13.5 cm de alto 7.5 cm de ancho ×
con las que se obtuvo un voltaje de 0.7 V a una velocidad del viento de 4.06 m/s.
1. Introducción.
El conocimiento de nuestro mundo y sus interacciones son lo que nos va a permitir
encontrar un equilibrio entre el progreso tecnológico de nuestra especie y la
preservación de otras formas de vida sobre la Tierra. El depender masivamente de
una fuente de energía limitada y no renovable como lo es el petróleo, nos expone a
muchas problemáticas tanto económicas como ambientales. Bajo esta problemática
se han intentado eficientar y crear nuevas formas de obtener energía a partir de las
fuerzas de la naturaleza teniendo un impacto reducido a comparación de el que
actualmente estamos ocasionando a nuestro hogar, la Tierra. En este trabajo
expondremos una forma de generar energía a partir de una fuente natural en
nuestro planeta, como lo es el viento.
1
1.1 Marco teórico
1.1.1 Energía Renovable
Las energías renovables son aquellas energías que provienen de recursos naturales
que no se agotan y a los que se puede recurrir de manera permanente. Su impacto
ambiental es nulo en la emisión de gases de efecto invernadero como el CO2 (Tw
Energy, 2019).
La intervención humana en la naturaleza y el mal uso de los recursos naturales, ha
llevado a modificaciones del medio, por lo cual, ante el panorama climático, tan lleno
de transformaciones drásticas afecta el clima de nuestro planeta; esto significa un
daño al entorno por la contaminación producida como resultado directo del uso no
racional de fuentes de energía (Del Río, Marincic y Tagüeña, 2013). En especial el
uso de combustibles fósiles, por lo que actualmente se impulsa el uso de las fuentes
de energía renovables, las cuales se obtienen de fuentes naturales y a su vez se
regeneran virtualmente esto quiere decir que cumplen con un ciclo, lo que significa
que no se agotan en un corto tiempo.
Existen distintas fuentes de obtener energía de forma renovable, a continuación se
describen algunas de ellas:
➢ Biomasa se considera a la madera y sus derivados como fuente, se utiliza
para producir biodiesel, etanol, biogás, etc.
➢ Hidrológica surge al transformar el movimiento del agua en electricidad
➢ Solar utiliza el efecto fotoeléctrico para poder desplazar electrones y producir
energía eléctrica.
➢ Geotérmica se obtiene al transformar el movimiento de las placas tectónicas
y las capas de la Tierra en energía eléctrica.
➢ Eólica es la que se obtiene a partir del movimiento que genera el aire para
producir energía eléctrica
1.1.2 Energía Eólica y Aerogeneradores
La energía eólica se asocia a la energía cinética del viento, siendo la circulación del
viento el producto de diferencias de temperatura de las zonas que se encuentran en
2
el ecuador a 0º de latitud con las zonas ubicadas más alejadas de éste, debido a
que la superficie terrestre no se calienta uniformemente por la absorción de la
radiación solar (Del Río, Marincic & Tagüeña, 2013).
La energía eléctrica se genera cuando el viento interactúa mecánicamente con las
aspas de un aerogenerador, los cuales son estructuras que transforman la energía
cinética del aire en energía mecánica rotacional y la convierte a corriente continua,
esta energía puede ser almacenada en una batería para su posterior uso en forma
de energía eléctrica (Calvo, 2011).
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio, y ayuda a disminuir
las emisiones de gases de efecto invernadero, al reemplazar la termoeléctrica que
utiliza combustibles, lo que la convierte en una energía verde; sin embargo, el
principal inconveniente es su intermitencia, debido a que de la energía que la Tierra
recibe del Sol, solo el 1% se transforma en viento (Del Río, Marincic & Tagüeña,
2013).
No hay una referencia precisa de cómo el ser humano aprendió a utilizar la energía
del viento para producir trabajo, aunque se cree que los aerogeneradores llevan
siglos siendo usados ya que existen indicios en algunos registros del siglo I D.C, sin
embargo no existe evidencia comprobatoria de su construcción o uso. La historia
cuenta que los primeros aerogeneradores que funcionaron para uso práctico no
aparecerán hasta el siglo VII en el continente Asiático en la actual Afganistán, estos
eran molinos de eje vertical con hojas rectangulares, los cuales variaron entre las 6
y 8 piezas, principalmente para moler cereales o para recolectar agua (Del Río,
Marincic & Tagüeña, 2013; La Favre, 1998).
En Europa no se usaron hasta el Siglo XII iniciando en Inglaterra y Francia. Pero el
inicio del aprovechamiento eléctrico de la fuerza del aire no llegaría hasta que en
1888 el inventor estadounidense Charles Francis Brush fabricara la primera turbina
eólica para generar electricidad (La Favre, 1998).
A mediados del siglo XX, específicamente en los años 70 surgió un mayor interés en
este campo impulsado principalmente por la primera crisis de petróleo, haciendo
que distintos gobiernos buscarán maneras alternativas de generar electricidad.
3
Actualmente en más de 80 países se genera energía eólica siendo los principales
productores: Alemania, Estados Unidos y España (Ammonit Measurement GmbH,
2019).
México cuenta con algunas plantas eólicas en diversos estados de la república que
han sido privilegiados debido a las corrientes de aire que fluyen por su territorio, de
esta forma y de una manera estratégica se colocaron parques eólicos en las zonas
de vientos más rápidos, un ejemplo claro es el estado de Oaxaca, específicamente
el Istmo de Tehuantepec, catalogado como zona de excelente potencial de recurso
por alcanzar velocidades mayores a los 8.5 m/s (Eliot, et al., 2004).
En la tabla 1 se muestran los principales estados de la república productores de
energía eólica. Por otro lado en la Ciudad de México no hay plantas de energía
eólica, esto debido a que la zona está muy poblada no siendo apta para este tipo de
recursos, sin embargo, una posibilidad del uso de aerogeneradores es de uso
habitacional o en zonas escolares, al realizar un estudio de velocidades promedio
del viento en diversos lugares, se puede tener la posibilidad de colocar un
aerogenerador para la generación de energía.
Tabla 1. Principales Estados de la República productores de Energía Eólica.
Estado Producción en MW Estado Producción en MW
Oaxaca 2,360 Coahuila 200
Tamaulipas 470 San Luis
Potosí 200
Nuevo León 274 Jalisco 179
Zacatecas 230 Baja California 166
Tomada de: Asociación Mexicana de Energía Eólica
En la literatura se describen distintos modelos de aerogeneradores, principalmente
se dividen en dos tipos de construcción: verticales y horizontales. La selección y
utilización de uno u otro diseño depende de las velocidades del viento encontradas
4
en la zona de estudio (Moragues, & Rapallini, 2003), además, con base en el
modelo de aerogenerador se tiene un funcionamiento a velocidades variables,
constantes, y también en direcciones distintas (Calvo, 2011).
Las características de los dos modelos de aerogeneradores se describen a
continuación:
Verticales: En este tipo de aerogenerador las aspas giran en torno a un eje central
vertical, lo cual les da una característica bastante notable, la cual es que no se
necesiten sistemas de orientación para que las aspas tengan contacto constante
con el viento, ya que independientemente de la dirección del aire las aspas giran.
Una de sus principales desventajas de este tipo de aerogeneradores es que las
velocidades que se pueden alcanzar en comparación con las horizontales son
mucho menores, esto hace que los aerogeneradores de eje vertical sean más
apropiados para lugares con vientos constantes pero lentos. Los modelos de
aerogeneradores más usados son el Savonius, Darreius y Americana Multipala (AB
Internet Networks, 2017).
Figura 1 . Aspas eólicas verticales. Fuente: eolien_vertical_darrieu, 2017 1
Horizontales: En los aerogeneradores horizontales las aspas giran en torno a un
eje central horizontal, estas aspas deben de estar orientadas perpendicularmente a
la trayectoria del aire, por lo tanto se necesita un sistema que oriente la dirección del
aerogenerador basándose en la trayectoria del viento. Estos aerogeneradores son
los que mejor aprovechan la energía cinética del aire alcanzando velocidades
1 S.N, (2017) eolien_vertical_darrieus [Imagen]. Recuperado de https://listes.frama.wiki/_detail/eolien_vertical_darrieus.png?id=eolienne
5
significativamente mayores que su contraparte vertical, aunque esto de igual
manera trae un problema, ya que a ciertas velocidades límite se tienen que frenar
las aspas del aerogenerador para evitar la explosión del generador.
Estos tipos de aerogenerador son los más comunes y rentables para obtener
energía eléctrica, por lo cual es el modelo más utilizado para la generación de
energía (Renovables y verdes, 2017).
Figura 2. Modelos de aerogeneradores de eje horizontal (Tipos de Aerogeneradores, SF) 2
En la figura 3 se comparan los coeficientes de potencia obtenidos para diferentes
modelos de aerogeneradores. Las curvas en rojo, naranja y verde corresponden a
aerogeneradores de tipo vertical como el rotor Savonius o el rotor Darreius. Como
se puede observar en la figura, las potencias de los modelos verticales son menores
a las obtenidas por los aerogeneradores horizontales (curvas azul, morada) pero los
primeros se pueden utilizar con velocidades de viento bajas.
2 S.N (S.F) Aerogeneradores horizontales [Imagen].
6
Figura 3. Valor máximo de potencia. Fuente: Energy Hunters, 2012. 3
1.1.3 Componentes de los aerogeneradores
Lo componentes que integran los aerogeneradores se describen a continuación:
● Aspas: Son objetos curvados los cuales tienen fricción con el aire, generando
un movimiento en las aspas paralelo a la trayectoria del viento.
● Eje: Es un objeto tubular el cual se encuentra unido a las aspas y genera el
movimiento rotacional requerido para generar energía eléctrica, este objeto
está conectado al generador.
● Bases: Son plataformas circulares, se encuentran en la parte superior de las
aspas, al igual que en la parte inferior. Su función es estabilizar las aspas del
aerogenerador cuando estas roten a una velocidad muy alta.
● Torre Superior: Es un espacio cilíndrico dónde se encuentra conectado el eje
con el generador y es donde se genera la energía eléctrica
● Torre Inferior: Es el soporte de toda la estructura, actúa como un contrapeso
para mantener fijo todo el sistema mientras éste tiene un movimiento
constante y contacto con el aire.
En la figura 4 se muestran los principales elementos de un aerogenerador:
Figura 4. Partes de un aerogenerador. Fuente propia 4
3 Energy Hunters, (2012). Valor máximo de potencia [Imagen] Recuperado de: http://www.energyhunters.it/turbine-eoliche-ad-asse-orizzontale-o-verticale-un-confronto/ 4 Almaguer, Yafté. (2019).
7
Cuando se tiene información confiable sobre el régimen de viento de un lugar, ésta
debe analizarse para combinarla con las características de generación de un equipo
y estimarse la cantidad de energía que suministre el equipo eólico en el lugar
seleccionado (Del Río, Marincic & Tagüeña, 2013).
1.2 Objetivos
Objetivo general
❖ Diseñar y construir un prototipo de aerogenerador tipo Savonius.
Objetivos específicos
❖ Utilizar la energía eólica como fuente de energía renovable.
❖ Realizar distintas pruebas con el aerogenerador construido para corroborar
los datos teóricos.
❖ Utilizar el prototipo construido para cargar una pila.
❖ Proveer a la comunidad estudiantil de un centro de carga amigable con el
ambiente.
1.3 Problema
Año con año se registra un aumento del consumo total de energía siendo la
electricidad el tercer lugar (14.9%) del consumo final de energía, después del gas
licuado y la leña, además es el tipo de energía que más se relaciona con el
consumo en las viviendas (Del Río, Marincic & Tagüeña, 2013), pero para producir
la energía eléctrica necesaria para el consumo en edificios, industria, comercios y
viviendas en México se utilizan más las energías no renovables como gas natural,
combustóleo, petróleo, carbón, leña, etc., lo que contribuye al impacto ambiental con
fenómenos tales como el efecto invernadero, que provoca cambios climáticos, de
ahí la importancia de buscar fuentes renovables de energía que permitan disminuir
el impacto ambiental.
Por lo que este trabajo quiere contribuir a la reducción del impacto energético y
climático mediante la construcción de un aerogenerador económico que permita
generar energía limpia para el uso en nuestra comunidad.
8
1.4 Justificación
Debido a que los combustibles fósiles son limitados y producen diversas
problemáticas como la contaminación del aire, el cambio climático, además de
problemáticas a la salud de las personas; es importante que se promueva la
utilización de energías alternativas que permitan la disminución en el uso de
combustibles fósiles.
En algunas zonas del plantel hemos observado un flujo constante de viento,
principalmente en edificios altos y algunos lugares despejados, debido a esto
consideramos que la energía eólica es una opción viable para la generación de
electricidad, por lo que en este trabajo se propone el diseño y la construcción de un
aerogenerador de tipo Savonius que permita contribuir a la disminución del impacto
ambiental y fomentar el uso de energías renovables en nuestro colegio.
1.5 Hipótesis
El aerogenerador será capaz de brindar una corriente eléctrica constante de
aproximadamente 1.0 V ± 0.5 V
2. Desarrollo
Para iniciar el modelado, diseño y construcción de nuestro prototipo fue necesario
determinar el recurso eólico con el que contábamos por lo que para saber cuánta
energía se podrá generar con un aerogenerador vertical en un espacio abierto se
tuvo que determinar la eficiencia del aerogenerador la cual se dará en función de la
potencia, ésta depende de algunas condiciones dadas por la ecuación 1, por lo que
fue importante para los cálculos teóricos:
(1)/2 ρAv CpP = 1 3 5
Dónde:
es el potencial que queremos obtener medido en WattsP
densidad del aire (kg/m3)ρ
A corresponde al área de contacto (m2)
velocidad promedio del viento (m/s)v
5 Npower. (s.f). Wind Turbine Power Calculations. Enero 12 2019, de The Royal Academy of Engineering, Sitio web: https://www.raeng.org.uk/publications/other/23-wind-turbine
9
coeficiente de BetzpC
Esta fórmula indica que la potencia teórica de un aerogenerador crece rápidamente
con la velocidad del viento, pero el inconveniente es que si esta disminuye, la
potencia caerá de manera notable, es importante considerar lo anterior para el
diseño de aerogeneradores porque existe una gran variabilidad de las velocidades
del viento.
Área de las aspas
Para la realización de nuestro prototipo fue importante conocer el área de contacto y
tamaño de las aspas adecuadas para las velocidades de viento promedio que se
producen en el plantel, debido a que dependiendo de las dimensiones de las aspas
se genera la energía rotacional requerida para transformarla en energía eléctrica.
Para determinar el área de contacto aproximada se determinaron los parámetros
correspondientes a la ecuación 1 y se realizó el estimado del área de las aspas para
obtener la potencia deseada y conocer si esta era adecuada para producir la
energía suficiente para recargar una pila.
Los parámetros correspondientes a la ecuación 1 se determinaron de la siguiente
manera:
Densidad del aire
La densidad del aire es el número aproximado de partículas que hay en un espacio
delimitado, generalmente cuantificados en kg/m3, al conocer el número aproximado
de partículas por metro cuadrado podremos calcular la energía que puede generar
el aire al hacer contacto directo con la pared del aspa.
La densidad del aire de determinó en la página del gobierno de la Ciudad de México
la densidad es calculada con base en los datos de temperatura (C°), Presión (Pa), 6
6 Centro Nacional de Metrología. (s.f). Cálculo de la densidad del aire utilizando la fórmula del CIPM-20071. Feb 12 2019, de Centro Nacional de Metrología Sitio web: http://www.cenam.mx/publicaciones/cdensidad.aspx
10
y el porcentaje de humedad relativa (%), los datos anteriores los obtuvimos de los
registros de la estación meteorológica de nuestro plantel para el mes de enero 2019.
Por lo que consideramos la humedad, temperatura y presión máxima del mes. Así
mismo, en la página web se solicitó el valor para la incertidumbre de nuestro cálculo.
Determinación del lugar y medición de la velocidad del viento.
Se realizaron mediciones de la velocidad del viento en diferentes edificios del plantel
durante los días 17, 23 y 25 de enero de 2019 en un mismo horario (14:30 h), con el
objetivo de obtener la velocidad promedio y determinar el lugar más adecuado para
colocar el aerogenerador.
Las mediciones se realizaron en los edificios más altos del colegio (ver figura 5),
éstos se eligieron con base en la observación de una corriente de aire continua,
además, de que no presentarán obstáculos como lo pueden ser; árboles, edificios
cercanos o algunas construcciones aledañas.
Figura 5. Mapa del plantel con los edificios más altos estimado en el proyecto. 7
7Almaguer Yafté, Mapa CCH Sur editado, 2019
11
En la figura 5 se muestran en rojo los edificios más altos del plantel así como
aquellos edificios que no tienen obstrucciones. La medición de las velocidades se
realizó con un anemómetro marca Steren (figura 6), los datos obtenidos en m/s se
guardaron en excel para obtener el promedio de la velocidad por edificio. Los
promedios se muestran en la tabla 3 presente en los resultados.
Figura 6. Anemómetro Usado para medir la velocidad del viento. Fuente Propia
Coeficiente de Betz
Para conocer ¿Qué tanto se puede aprovechar la energía del viento? Se utiliza el
Coeficiente de Betz, este coeficiente nos permite dar un aproximado valor teórico de
la tasa de aprovechamiento de energía cinética que un aerogenerador podrá
obtener del viento, este coeficiente se calcula dependiendo del tipo de
aerogenerador que se utilice para la generación de energía eléctrica.
Se ha reportado que el coeficiente máximo de aprovechamiento que puede tener un
aerogenerador es del 59.3%. (Afework, et. al., 2018).
Por lo que para el diseño del aerogenerador fue importante determinar este
coeficiente para conocer nuestra eficiencia teórica.
2.1 Construcción del prototipo tipo Savonius
Después de realizar los cálculos correspondientes para el prototipo de
aerogenerador, se procedió a su construcción. El prototipo Savonius se diseñó con
unas aspas de 13 cm x 7.5 cm de ancho, el material empleado así como sus costos
se muestran en la tabla 2.
12
Los costos del aerogenerador son de $ 900 pero hay que considerar que los
materiales más caros son las pinzas para corte de metal y la lámina de aluminio,
pero estos materiales se pueden utilizar para la construcción de más
aerogeneradores lo cual permitirá disminuir los costos de elaboración.
Debido a que el prototipo es pequeño, se decidió utilizar aluminio para la
construcción de las aspas del aerogenerador ya que el aluminio es un material
ligero, resistente y de fácil manejo.
Tabla 2. Costos de los materiales utilizados en la construcción del aerogenerador de
tipo savonius.
Material Costo en $ Material Costo en $
Una lámina de aluminio calibre 24* 250 2 Engranes 10
Una varilla de acero inoxidable de 6
mm de diámetro aproximadamente 30 1 Resistencia de 300 Ω 3
Tijeras para corte de metal 450 1 Diodo 1.5
Pegamento epóxico 50 Tabla de madera 20
Placa Fenólica .5 .5 4 × 4 12 Cables
Motor de 3V 24 Dos latas de distintas
dimensiones
Una batería de ion litio de 3V y 800
mA 150
*El calibre dependerá del tamaño del aerogenerador.
Con las láminas de aluminio se formaron dos medio cilindro con radio de 5.5 cm
cada uno como se muestra en la figura 7, para el pegado de aspas se recurrió al
pegamento epóxico, uniendo ambas aspas en forma de S a los extremos de la
varilla de acero inoxidable.
13
Figura 7 . Pegado de aspas. Fuente propia 8
El eje se conectó a un generador/motor de 3V por medio de dos engranajes, este
sistema permitió generar una corriente directa para almacenarla en una batería
recargable de ion Litio de 3 V para utilizar la energía posteriormente.
El circuito para permitir la recarga de la batería y a través del generador fue diseño
propio, colocando una resistencia para evitar una sobrecarga en la batería, el
diagrama se muestra en la figura 8.
Figura 8. Diagrama de circuito usado para la carga de la batería. Fuente Propia 9
El circuito realizado se soldó en una placa fenólica para su utilización en la recarga
de la pila. En la figura 9 se muestra el circuito realizado.
8 Ramírez Hernández Erick, 2019 9 Figura, Yafté Almaguer, 2019
14
Figura 9. Soldado del Circuito. Fuente Propia 10
Finalmente, se construyó el prototipo de aerogenerador, además, se realizaron
pruebas con diferentes velocidades de aire para conocer el voltaje producido.
Durante la construcción del prototipo se realizaron las siguientes consideraciones; la
base del aerogenerador fue sostenida por un trozo de madera perforada en el centro
y un balero, con el objetivo de tener la menor fricción posible y evitar pérdidas de
energía cinética. El circuito fue guardado en la lata de acero más pequeña para
conservarla del mal clima y evitar así su mal funcionamiento. La lata más grande fue
colocada como base y llenada de arena para que sea el soporte del todo el
aerogenerador, evitando así una posible caída del aerogenerador si las velocidades
del viento son mayores al promedio reportado por la estación meteorológica.
3. Resultados.
Cálculo de la densidad del aire
Se introdujo en la página del gobierno de la ciudad de México variables como:
temperatura (C°), Presión (Pa), y el porcentaje de humedad relativa (%) para
determinar la densidad del aire en el plantel (véase figura 10). Para cada una de
estas variables se consideró la incertidumbre, la cual nos indica el margen de error
que se puede tener. En la figura 10 se muestran los valores considerados
10 Figura,Yafté Almaguer, 2019
15
(temperatura 25°C, presión 77700 Pa y humedad de 16%) así como la
incertidumbre. La densidad resultantes del aire fue de ≈ 0.9058643 con una g/mk 3
incertidumbre de: 0.0178351 g/mk 3
Figura 10. Registro de datos en la página: http://www.cenam.mx/publicaciones/cdensidad.aspx 11
Determinación del lugar y medición del viento
Se realizaron mediciones de la velocidad del viento en diferentes edificios del
plantel, los cuales se eligieron en base a la altura y a la observación de una
corriente de aire continua.
La tabla 3 muestra la velocidad promedio tomada durante tres días en diversos
edificios del plantel. Al analizar los datos de la tabla 3, nos percatamos que los
edificios en los que se registra una mayor velocidad de viento son: X, H, R, K, IM y
el estacionamiento de profesores. Al promediar las velocidades obtenidas en cada
edificio, podemos concluir que la velocidad promedio del plantel es de
aproximadamente 1 m/s.
Ya que se realizó la medición de las velocidad en sólo tres días y en un horario
específico, también revisamos las velocidades registradas por la estación
meteorológica del plantel.
11 Centro Nacional de Metrología. (s.f). Cálculo de la densidad del aire utilizando la fórmula del CIPM-20071. Feb 12 2019, de Centro Nacional de Metrología Sitio web: http://www.cenam.mx/publicaciones/cdensidad.aspx
16
Tabla 3. Velocidad promedio en diversos edificios del Plantel 12
Edificio Velocidad promedio en m/s Edificio Velocidad
promedio en m/s
D 0.97 X 1.72
G 0.77 M 0.75
H 1.22 L 0.86
O 1 K 1.28
R 1.11 IM 1
CH 0.75 Estacionamiento profesores 1.08
Al analizar los datos de la estación meteorológica obtuvimos que en el mes de
Enero el promedio mínimo de velocidad fue 1.21 m/s los cuales son muy cercanos a
los obtenidos en nuestras mediciones y el promedio máximo 6.9 m/s. Por lo que
para realizar el diseño del prototipo se consideró la velocidad promedio del mes de
enero registrada por la estación meteorológica, cuyo valor obtenido fue:
≈ 4.06±2 m/s
Esta velocidad nos permitió realizar una adecuada estimación de las características
del aerogenerador y tener un mayor intervalo de velocidades en el que pueda
producir suficiente energía.
Área de las aspas DA = H
Al estudiar la geometría del modelo Savonius, nos percatamos que solo puede girar
ininterrumpidamente en un sentido, el cual es contrario a la curvatura de las aspas,
esta uniformidad del giro se debe principalmente a la superficie de contacto con el
aire.
Esto sucede debido a que un lado de las aspas por su forma aerodinámica permite
el flujo constante de aire, como se puede apreciar en la Figura 11.
12 Tabla, Yafté Almaguer, 2019
17
Figura 11 . Área de contacto con el aire. Fuente propia 13
Ante esto, fue conveniente calcular el área total de contacto de una aspa, sabiendo
las medidas de las aspas (13 cm de altura y 7.5 cm de ancho), el área de contacto
de cada una de las aspas es de 0.00845 . Por lo que el área de contacto total de m2
las dos aspas es de 0.0169 .m2
Figura 12. Aspas Modeladas. Fuente Propia 14
Constante de Betz
Para determinar la constante de Betz en un aerogenerador vertical tipo Savonius
obtuvimos la información en una Tesis de licenciatura que para este tipo de
aerogenerador se encontró que el valor aproximado de esta constante es:
13 Figura , Yafté Almaguer, 2019 14 Figura, Yafté Almaguer, 2019
18
Cp=0.21 15
Esto quiere decir que con este aerogenerador solo podremos aprovechar menos del
0.21 % de la energía cinética del aire.
Cálculo de la energía estimada:
Hasta este momento hemos obtenido todos los datos solicitados en la ecuación 1,
con la cual se determinó cuánta energía sería generada con el aerogenerador
vertical seleccionado. Los datos calculados son:
Densidad del aire ( ) =0.905 ρ g/mk 3
Área de contacto (A) = 0.0169 m2
Velocidad (v) =4.06 m/s
Coeficiente de Betz =0.21
Sustituyendo los datos en la ecuación 1 y resolviendo se obtiene:
/2 ρAv CpP = 1 3
/2 (0.905)(0.0169)(4.06) (0.21)P = 1 3
/2 (0.0152)(66.92) (0.21)P = 1
(0.508)(0.21) P =
Watts.10 P = 0
La potencia teórica aproximada que nos brindará el aerogenerador es de ≈ 0.10
Watts.
Para comprobar nuestra hipótesis se realizaron algunas pruebas con el prototipo del
aerogenerador empleando una bomba de aire de flujo constante, esto para medir la
energía que genera el motor, simulando la velocidad del aire promedio en el
intervalo mínimo 1.21 m/s, medio 4.06 m/s y máximo 6.9 m/s tomados de la estación
meteorológica del plantel. Debido a que la bomba de aire de flujo continuo tiene una
velocidad fija, para realizar las mediciones a las velocidades promedio obtenidas,
fue necesario separar las aspas a diferentes distancias como se muestra en la
15 Arbeloa, S. L, Zurita, G. J. (s.f). Diseño de un Aerogenerador de Eje Vertical Tipo Savonius para Electrificación Rural. Obtenida el 2 de febrero de 2019, de Universidad Pública de Navarra, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación. Sitio web: http://academica-e.unavarra.es/bitstream/handle/2454/6667/57946.pdf?sequence=1
19
diagrama de la figura 13. Los voltajes obtenidos de esta prueba se muestran en la
tabla 4.
Figura 13. Esquema del experimento realizado. Fuente propia 16
Estos datos nos permitieron determinar el voltaje que se obtendrá con nuestro
prototipo de aerogenerador Savonius además del buen funcionamiento del circuito y
la correcta carga de la pila.
Tabla 4. Pruebas de Voltaje a distintas velocidades 17
Pruebas Distancia (m) Velocidades (m/s)
Voltaje Obtenido (V)
1 0.64 6.9 2.21
2 1.37 4.7 0.75
3 1.68 2 0.16
La figura 14 muestra fotografías de algunas pruebas con el circuito realizado antes
del ensamblaje del aerogenerador.
16 Figura, Yafté Almaguer, 2019 17 Tabla, Yafté Almaguer. 2019
20
Figura 14. Medición de Voltaje. Fuente Propia 18
4. Análisis de resultados
Debido al diseño de las aspas del aerogenerador construido se moverá en una sola
dirección, por lo que se sincronizó con la rotación del motor para conocer cuánta
energía se producía y la eficiencia de la carga de la pila.
El potencial máximo de generación de energía eléctrico teórico es de .10 P = 0
Watts de acuerdo con las medidas de las aspas (13.5 cm de alto 7.5 cm de ancho), ×
también se determinó que si la velocidad media del viento es de 4.06 m/s, el
aerogenerador producirá un voltaje de 0.70 V.≈
La energía producida por el prototipo se almacenó en una pila de 3 V, aunque si la
pila está cargada al 100% el voltaje real de la pila será de 2.9 Voltios, el circuito
integrado a la pila y el motor fue diseñado para que la pila no se descargue
inmediatamente si el aerogenerador se encuentra en reposo, lo cual asegura que se
tenga una pérdida de energía mínima.
Durante la realización de este proyecto también se realizó la determinación del
edificio más adecuado para colocar el aerogenerador con las mediciones de las
velocidades del viento realizadas se encontró que los edificios en los que se registra
una mayor velocidad de viento son: X, H, R, K, IM, de estos se descartaron aquellos
edificios con obstáculos a su alrededor o de difícil acceso.
18 Figura, Yafté Almaguer, 2019
21
Por lo que se decidió que el edificio más apto para colocar el prototipo y
posteriormente realizar pruebas era el edificio IM ya que es uno de los edificios más
altos del plantel, en contacto constante con el viento y de fácil acceso para hacer
revisiones de manera periódica al circuito y a la estructura del prototipo.
El costo del prototipo del aerogenerador fue muy bajo de aproximadamente $500, ya
que se usaron materiales reciclables como latas de acero de comida conservada,
las cuales fueron empleadas como base del aerogenerador como se muestra en la
figura 15, el material más caro sería la lámina de aluminio pero de esta se pueden
obtener varias aspas del tamaño diseñado por lo que se reduciría el costo. Además,
si con el funcionamiento del aerogenerador se alcanza la máxima carga de la pila
entonces será posible cargar en un futuro artículos electrónicos como teléfonos
celulares.
Figura 15. Prototipo Terminado. Fuente Propia 19
5. Conclusiones
El aerogenerador tipo Savonius que se diseñó es uno de los mejores modelos para
el plantel debido a las bajas velocidades del viento que se presentan en diversas
zonas, con el diseño de las aspas en forma S se logró aprovechar estas velocidades
debido a que estas aspas permiten que el aerogenerador sea estable y funcional, ya
que fue posible generar energía eléctrica para la carga de la pila de 3V logrando los
objetivos planteados en este proyecto.
19 Figura, Yafté Almaguer, 2019
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Además, la hipótesis se cumplio debido a que a la velocidad promedio 4.06 m/s, el
aerogenerador produce un voltaje de 0.70 V, en necesario indicar que este ≈
prototipo de aerogenerador es como su nombre lo indica, un prototipo de futuros
aerogeneradores que logren generar voltajes mayores al estimado (1 V).
Por otro lado, con la construcción de este prototipo de bajo costo se contribuye a la
disminución del impacto ambiental al producir energía de una fuente renovable
como lo es el viento, además los costos de generación de la misma es poco.
Con base en la investigación realizada se pudo determinar el mejor espacio en el
plantel para poder colocar el prototipo de aerogenerador. Este espacio quedará
como el establecimiento del futuros aerogenerador a gran escala que se pretende
construir para que los estudiantes puedan en determinado momento realizar la
carga de su celular.
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