1. INTRODUCCION 1.1 Evolución histórica Desde que aparecieron molinos accionados por el viento, utilizados para moler el grano o bombear agua, hace ya más de tres mil años, el hombre ha recurrido a la fuerza del viento para obtener energía. Con la invención de la máquina de vapor a finales del siglo XVIII, la consecuente revolución industrial y la llegada de los combustibles fósiles; la energía eólica se vio relegada a un segundo plano. Su uso se contemplaba únicamente en ambientes rurales, mientras que enlas grandes ciudades industriales todo el desarrollo tecnológico giraba en torno a las máquinas térmicas. En el panorama actual donde, por un lado, el demostrado impacto que tienen los gases procedentes de la combustión sobre nuestro entorno y nuestra salud ha hecho crecer la consciencia medioambiental de la sociedad y, por otro, la caducidad de los recursos fósilescomo fuente de energía, han provocado que durante los últimos 50 años energías ya en desuso como la eólica y la hidráulica hayan ganado de nuevo importancia. El desarrollo de nuevos materiales y los avances en aerodinámica hicieron posible alcanzar una alta eficiencia en los aerogeneradores actuales. A lo largo del siglo XX fisicos como Albert Betz o Hermann Glauert fueron importantes participes en el diseño de las nuevas turbinas eólicas. 1.2 Recurso Eólico Sin duda uno de los grandes obstáculos que debe salvar la tecnología eólica, es la alta variabilidad del viento. Las grandes empresas eléctricas tratan de encontrar emplazamientos donde los niveles de viento y sus variaciones sean adecuados para instalar molinos generadores. 1.2.1 Formación de las corrientes de viento Se entiende por viento el movimiento de masas de aire en la atmósfera. La diferencia de presión atmosférica entre dos puntos geográficos distintos es la causa de dicho movimiento. Como es sabido, la presión de un gas varía con la temperatura, así en las zonas próximas al ecuador, que reciben mayor radiación del sol y por tanto son más calurosas, la densidad del aire es menor y las presiones atmosféricas son inferiores. Cuanto más alejado este un punto del ecuador mayor será su presión atmosférica. Según lo anterior, las corrientes de aire tienden a elevarse y circular por la atmósfera para caer de nuevo al mezclarse con las masas de aire frio. En su movimiento, las corrientes se ven influidas por la rotación del globo debido al efecto coriolis (figura 1). Si bien las causas y efectos en la formación de corrientes pueden parecer claros, existen multitud de factores que alteran dichos movimientos y que le confieren al viento su carácter imprevisible. 1.3 Variabilidad del viento Como se ha dicho, son muchos los agentes externos que pueden alterar los movimientos y las intensidades de las corrientes de viento. Accidentes geográficos, vegetación, cambios estacionales de temperatura o el mencionado efecto coriolis, son algunos de ellos pues influyen sobre el viento tanto a nivel local como planetario. Pese a la dificultad de predecir cambios en la intensidad de las corrientes de aire a largo plazo, la distribución de Weibull es un método estadístico que pretende estimar la probabilidad de que un determinado régimen de viento se de en un lugar concreto. La función de distribución expresa la probabilidad de que una velocidad del viento exceda un valor límite durante un periodo determinado. Los parques eólicos se sirven de este tipo de recursos de probabilidad para estimar la intensidad del viento en determinadas zonas y calcular su producción. 1.4 Turbulencia Debido a la rugosidad del terreno y a las variaciones de temperatura, el desplazamiento local de las corrientes de aire dista mucho de ser ordenado y suave, siendo, por tanto, de carácter turbulento. Se entiende por flujo turbulento, las fluctuaciones rápidas y caóticas de las magnitudes de un fluido en movimiento. Si bien la velocidad media del viento es relativamente estable, a lo largo del día se pueden registrar multitud de velocidades distintas en torno a esa velocidad media. Este flujo desordenado afecta altamente al trabajo de un aerogenerador pues provoca cargas, tensiones y componentes vibratorias negativas que pueden producir fatiga en los materiales. Por otro lado, las ráfagas de viento actuarán sobre la máquina acelerando el giro bruscamente y variando la energía que el generador eléctrico entrega en cada momento, este hecho puede afectar al equilibrio del sistema eléctrico si el generador se encuentra acoplado a la red. Pese a su carácter imprevisible, existen modelos matemáticos que tratan de describir el flujo turbulento, un ejemplo son las ecuaciones de Navier-Stokes. Sin importar el porqué de este fenómeno se recurre de nuevo a medios estadísticos que trabajan con espectros de turbulencia, para calcular su intensidad, y de alguna forma poder predecir en qué medida se verá afectado el rotor del molino cuando esté funcionando. 2 Planteamiento del Problema La energia eolica es un tipo de energia renovable cuya fuente es la fuerza del viento. La forma tipica de aprovechar esta energia es a través de la utilizacion de aerogeneradores o turbinas de viento 2.1 Descripción del problema de investigación ¿Pero como se Ilega del viento a la electricidad? El antecedente directo de los actuales aerogeneradores son los viejos molinos de viento, que incluso hoy en dia se siguen utilizando para extraer agua o moler grano. Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento (turbina eolica). 2.2 Justificación del Problema Uno de los problemas mas frecuentes que presentan los aerogeneradores es su gran tamaño asi como las vibraciones y ruido que provocan. Por esta razon suelen ubicarse en zonas alejadas de viviendas. Sin embargo empresas y cienti]icos de todo el mundo siguen trabajando para construir aerogeneradores mas pequeños, y en Venezuela pues no es la excepcion; por eso este nuevo proyecto de el diseñar un nuevo modelo de aerogeneradores con grandes benelicios. 2.3 Formulación del Problema 2.3.1 Problema General ¿Como diseñar un Aerogenerador (molino de viento), y que produzca electricidad. 2.3.2 Problemas específicos ¿ Cuales son los materiales necesarios para realizar una maqueta de un mini generador de energía eólica? ¿ Cuales son las partes de un aerogenerador o molino de viento? 1.1. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION. 1.1.1 Objetivo general Diseñar un Aerogenerador para obtener energia eolica. 1.1.2 Objetivos especilicos - Identificar los materiales necesarios para realizar un Aerogenerador. - identificar las piezas necesarias que componen el Aerogenerador. 4. Importancia de la Investigación Este nuevo e innovador diseño del Aerogenerador, podriamos decir que a nivel te6rico puede Ilenar las expectativas a todos Io cientificos e investigadores de la materia, con el logro de un nuevo aprendizaje en cuanto a métodos y materiales implementados en el estudio. A nivel social, este nuevo Aerogenerador aportaria la gran garantia de producir buena energia eolica ya que el pais se encuentra en estado critico con respecto a la electricidad teniendo en cuenta que deberia ubicarse en una zona retirada a la “Año De La Unidad, La Paz Y El Desarrollo “ PROYECTO EXPOCIENCIA MINI GENERADOR EÓLICO poblacion para asi no causar ninguna perturbacion sonica por el ruido que produce el aerogenerador. Asi seria mas lactible el ambiente en que se preste para colocar este aparato. En cuanto a Io practico este proporcionara muchos aportes que nos darâ este nuevo diseño. Observando la utilizacion de los materiales poco costosos y faciles de conseguir, teniendo en cuenta solo las turbinas profesionales comparables. El aporte metodologico que daria es la nueva forma de implementar los materiales, tanto mecanicamente como eléctricamente. Esta investigacion apona una serie de elementos que forman una metodologia de estudios relacionados al Aerogenerador, basados en el analisis documental, el cual puede servir de orientacion para su consecucion o ampliacion de otros estudios. 5.- Limitación de la Investigación Recursos y uso del suelo. Tiempo en virtud de la investigación a desarrollar 6.- Marco Teórico 6.1 Historia del uso del viento El viento es una fuente de energía limpia, gratuita e inagotable. Ha sido ocupada desde hace siglos para navegar, mover molinos, moler trigo o bombear agua. Ya en las civilizaciones sumerias o egipcias, el viento estaba presente no solo en la vida real, sino en toda clase de historias, leyendas o mitos. Las culturas más antiguas aprovechaban su fuerza para desplazarse mediante el uso de velas en los barcos. De todos es sabida la importancia del comercio en Egipto, por ejemplo, donde tuvo un gran apogeo el comercio fluvial que se desenvolvía en el río Nilo. Los griegos asociaban el viento junto a los otros elementos que dieron origen al mundo, fuego y agua, al uso de los dioses. Sus leyendas consideraban que las fuerzas de la naturaleza no podían ser controladas por el hombre, por lo que hubo cierto desinterés a la hora de aprovecharse de él. Sin embargo, en las culturas orientales esto no sucedía y de allí viene la primera noticia del uso del viento mediante un molino. Viene de la civilización Persa en el 7 “Año De La Unidad, La Paz Y El Desarrollo “ PROYECTO EXPOCIENCIA MINI GENERADOR EÓLICO d.C. con un molino de eje vertical usado para la molienda y el bombeo de agua tal como se ve en la Ilustración 8-1. Además de emplearse para el riego y moler el grano, los molinos construidos entre los siglos XV y XIX tenían otras aplicaciones, como el bombeo de agua en tierras bajo el nivel del mar, aserradores de madera, fábricas de papel, prensado de semillas para producir aceite, así como para triturar todo tipo de materiales. En el siglo XIX se llegaron a construir unos 9.000 molinos en Holanda. Ver Ilustracion 8-2. El avance más importante fue la introducción del abanico de aspas, inventado en 1745, que giraba impulsado por el viento. En 1772 se introdujo el aspa con resortes. Este tipo de aspa consiste en unas cerraduras de madera que se controlan de forma manual o automática, a fin de mantener una velocidad de giro constante en caso de vientos variables. Otros avances importantes han sido los frenos hidráulicos para detener el movimiento de las aspas y la utilización de aspas aerodinámicas en forma de hélice, que incrementan el rendimiento de los molinos con vientos débiles. Posteriormente, en el siglo IX los hermanos Banu Musa citan a los molinos en el "Libro de los Ingenieros Mecánicos". También los geógrafos árabes Al-Tabri y Al-Masudi mencionan que los molinos son utilizados con una doble función, como molinos harineros y como molinos de agua. El mecanismo de estos molinos constaba de un eje vertical, al igual que los molinos hidráulicos usados en Italia.3 Los autores árabes explican que comenzaron a construir molinos, gracias a las explicaciones que traían los esclavos de Oriente. La importancia del invento y la utilización por parte de los árabes hace que sean ellos los introductores del invento en España. Los ingenieros islámicos también son los creadores de los molinos de eje horizontal por la necesidad de adaptar las máquinas de eje vertical al bombeo del agua, debido a que este sistema no necesita variar la fuerza motriz con engranajes. “Año De La Unidad, La Paz Y El Desarrollo “ PROYECTO EXPOCIENCIA MINI GENERADOR EÓLICO Estos molinos a vela siguen la estela de las conquistas que realiza el Islam, por todo el Mediterráneo, y por el Este hasta la India y la China. Su principal ocupación era moler la caña de azúcar. Pero las culturas islámicas no son las únicas que conocen los molinos, parece ser, que los chinos, en el año 1655, según documenta Wowles, utilizaban unos molinos de viento con ejes verticales que se parecen a los hidráulicos. Algunos historiadores sostienen, entre ellos el español Julio Caro Baroja, que estos aparatos, que reciben el nombre de panémonas y se usaban para bombear el agua en las salinas, son el precedente de los molinos persas. Pero fue a partir de la Revolución Industrial cuando el molino comienza a coger importancia. En esta época se empieza a usar de forma masiva el vapor y los combustibles fósiles como fuentes de energía motriz; además de la aparición de la electricidad. Por este consumo indiscriminado se produce un aumento de la contaminación y empiezan a aparecer las ideas de ahorro (el viento es gratis) y la limpieza del planeta. En la segunda mitad del siglo XIX aparece el primer molino propiamente dicho, el denominado "multipala americano". Fue creado por Charles Brush en los años 1886- 1887. Se trataba de una turbina eólica de 12 kW, cuya energía se almacenaba en 12 baterías. Esta turbina funcionó durante 20 años, y era un gigante de 17 metros de altura y 144 palas, como se puede ver en la Ilustración 8-2 Aunque no el primero, decisivo es el trabajo de Paul la Cour de Dinamarca quien diseño un túnel de viento para realizar primeros pruebas científicas. El descubrió que pocas y delgadas alas son más eficiente para generar electricidad y así es considerado padre de los aerogeneradores modernos (figura 4). En 1891 construyó su primer aerogenerador para la luz de una escuela, pero, en vez de cargar baterías, produjó hidrógeno para almacenar la energía. En los años 20 y 30 del último siglo se realizó una serie de importantes investigaciones y desarrollos. Albert Betz, profesor de la Universidad de Göttingen (Alemania), estableció en 1929, con su trabajo teórico, la Ley de Betz, comprobando que el máximo que se puede ganar de la energía eólica disponible es de 59.3% (actualmente, las turbinas más modernas y eficientes superan ligeramente el 50%).5 “Año De La Unidad, La Paz Y El Desarrollo “ PROYECTO EXPOCIENCIA MINI GENERADOR EÓLICO
