Programación de Ingeniería Mecánica UPB: Grupo 1410 01

Integrantes

Manuela Cano Orozco, estudiante de Ingeniería Mecánica
Felipe Ramírez Vargas, estudiante de Ingeniería Mecánica
Sebastián Vélez Jiménez, estudiante de Ingeniería Mecánica

Resumen

La problemática ambiental del planeta en la actualidad nos lleva a buscar energías alternativas que sean mas eco-amigables, eficientes, duraderas y económicas. Después de una búsqueda encontramos la energía eólica, ya que cumple con todos los criterios anteriormente descritos y es producida naturalmente por el planeta, además es inagotable. Lo anterior nos lleva a realizar el siguiente trabajo.

Se proporcionará una herramienta para calcular la potencia que entrega un generador eólico y así encontrar si los terrenos y los vientos son eficaces para la producción de energía eólica en Colombia.

Introducción

Teniendo en cuenta los efectos secundarios de la producción de energía en el planeta, tales como: el calentamiento global, tala de árboles, entre otros. Se intenta profundizar en las energías alternativas ya existentes que son más eco-amigables, económicas y eficientes. Teniendo en cuenta lo anterior se optó por escoger la energía eólica como la mejor fuente de energía por las razones anteriormente descritas.

¿Que es energía eólica?

La energía eólica hace parte de las denominadas energías renovables o energías alternativas. La energía eólica se obtiene por medio de energía solar, la cual produce los cambios en las presiones y en la temperatura de la atmósfera; estos dos fenómenos hacen que se produzca el aire, generando viento, que al mover el aerogenerador se transforma en energía eléctrica.

¿Que es un aerogenerador?

Los aerogeneradores o turbinas de viento son máquinas que convierten energía cinética en energía eléctrica. Los aerogeneradores tienen la apariencia de los antiguos molinos de viento, y su funcionamiento se basa en transformar limpiamente la energía eólica en energía eléctrica.

Fundamentalmente existen dos tipos los aerogeneradores: los de turbina en eje horizontal y los de turbina en eje vertical.

Aerogenerador de eje vertical:

Es el concepto original de aerogenerador dentro de la energía eólica, ya que permite colocar la multiplicadora o generador de potencia en la base del aerogenerador, facilitando así la instalación de estos aerogeneradores. Las palas de este aerogenerador están girando en un plano paralelo al suelo.

Aerogenerador de eje horizontal:

Es el concepto para producir energía eólica que se ha implantado a lo largo de los años. Consiste en colocar la multiplicadora o el generador en la parte superior junto al eje de giro de la turbina eólica. Las palas de este aerogenerador están girando en un plano perpendicular al suelo.

También, los aerogeneradores se pueden clasificar por la potencia, existiendo la energía mega eólica (con aerogeneradores de más de 5 Mw), mini eólica (con aerogeneradores de menos de 200 kw) y energía eólica normal.

Crono-grama

Marco teórico

Como se mencionó anteriormente, el viento es aire en movimiento, el cual genera energía cinética que mueve las aspas del rotor. Esa energía cinética se puede expresar de la siguiente forma:

$E_{k}={\frac {m*v^{2}}{2}}$

donde $v$ es la velocidad del viento y $m$ la masa del aire que atraviesa las aspas.

La masa ( $m$ ) es equivalente a:

$m=\rho *A*v$

donde $\rho$ es la densidad del aire, $A$ ( $\pi$ * r^2) es la superficie que recorren las aspas y $v$ es la velocidad del viento.

Reemplazando la ecuación de $m$ en $E_{k}$ tenemos:

$E_{k}={\frac {\rho *A*v^{3}}{2}}$

La potencia eléctrica generada vendrá entonces dada por:

$P_{e}={\frac {n*\rho *A*v^{3}}{2}}$

donde: $P_{e}$ = Potencia eléctrica y $n$ = eficiencia de la hélice

Existe un rango, para la velocidad, en el cual el generador funciona. Cuando la velocidad del viento es menor o superior a ese rango el generador deja de funcionar.

Diseño de la solución

Para la solución del problema se tuvo en cuenta el siguiente rango de valores para la velocidad

Velocidad (m/s)	Velocidad (m/s)	Velocidad (m/s)	Velocidad (m/s)	Velocidad (m/s)	Velocidad (m/s)
0	5	10	15	20	25
1	6	11	16	21	26
2	7	12	17	22	27
3	8	13	18	23	28
4	9	14	19	24	29

Si la velocidad del viento es menor a 5 m/s el aerogenerador no es es capaz de trabajar, ya que no tiene la energía suficiente para mover sus aspas; cuando la velocidad del viento supera los 25 m/s el aerogenerador es detenido por razones de seguridad (este valor puede variar dependiendo de las especificaciones del mismo).

También hay que tener en cuenta la eficiencia del generador que depende de la marca y de la cantidad de energía que se quiere entregar; todos estos datos los proporciona el fabricante.

Hay otros factores que influyen en la potencia que entrega un aerogenerador: uno es la densidad del aire, la cual varía dependiendo del punto geográfico donde esté ubicado el generador,o sea,depende de la variación de la altura con respecto al nivel del mar y el otro factor es la temperatura.

Un factor muy importante para el cálculo de la potencia eléctrica es el radio de giro de la aspas, ya que éste determina el flujo másico que circula a través de las mismas.

Descripción del software

Con el fin de solucionar de una manera sencilla el problema de cómo hallar la potencia de un aerogenerador, se desarrolló una interfaz gráfica de usuario, la cual permite hallar la energía ahorrada mensual y anualmente.

Interfaz gráfica de cálculo de potencia en aerogeneradores

La interfaz esta diseñada para calcular la potencia de una manera ágil, de manera que al ingresar unos datos, ésta arroje el ahorro energético anteriormente descrito y así permitirle al usuario visualizar los resultados deseados de una manera clara y concisa. A continuación se dará una breve explicación de como funciona la interfaz.

Como se puede ver en la imagen, la interfaz tiene una serie de cuadros de texto en los cuales le permitirá al usuario ingresar los datos de radio, densidad del aire, velocidad promedio del aire, la eficiencia de la turbina y el valor del kilovatio hora.

Cuando el usuario tenga todos estos datos ingresados podrá presionar el botón calcular, el cual realizará los cálculos de la potencia mensual y anual y el ahorro económico anual. Además este botón permitirá a el usuario observar una gráfica la cual mostrará la curva de potencia.

Gráfica de cuerva de potencia de un aerogenerador

Luego de haber observado los resultados el usuario podrá pulsar el botón salir y este le dará 3 posibilidades: 1. Cerrar la interfaz y guardar los resultados. 2. Cerrar la interfaz sin guardar los resultados. 3. Cancelar la salida.

Resultados

Los resultados que muestra la interfaz son: la gráfica de la curva de potencia y los resultados tanto del ahorro energético mensual y anual como el ahorro económico anual.

Resultados de ahorro energético y económico

Estos quedarán guardados en un archivo en excel, si el usuario lo desea. Este archivo estará disponible para el usuario en cualquier momento.

Los resultados que se guardan en el archivo son los datos de la potencia en relación a su respectiva velocidad del viento.

Conclusiones y trabajo futuro

Como se pudo notar en la interfaz, mientras mayor velocidad del viento se tenga, mas energía se producirá, aunque se corre el riesgo de que el generador se detenga.

La gráfica es una aproximación de los efectos reales, ya que se tienen errores, los cuales pueden llegar a ser mas precisos por medio de un estudio más intensivo y adecuado del punto geográfico donde está ubicado el aerogenerador, además hay que tener en cuenta que ésta interfaz gráfica es un prototipo.

Trabajo futuro

A futuro se espera mejorar el programa para implementarlo con un anemómetro (aparato que sirve para medir la velocidad del viento), con el cual se espera monitorear el viento y con esta medida entregar un valor real al dueño del generador.