UNIVERSIDAD DE TARAPACÁESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA MECÁNICA

ARICA – CHILE

PROYECTO AEROGENERADOR EN LA LOCALIDAD DE CAMARONES

Alumnos: Alex Molina M. Roman Roa M.

Roberto Jara

Arica, noviembre de 2015

Planteamiento del problema

Se requiere realizar la factibilidad de una instalación eólica para un equipo trasmisor de televisión el cual consume 700 Watts y debe estar encendido por 12 horas además debe soportar un consumo de 5 focos de 25 Watts tipo led durante el periodo nocturno y eventualmente soportar un TV de 250 Watts por 3 horas máximo en cualquier momento del día, su ubicación es en Camarones.

El informe debe acompañar.

1.- Las características eólica de la zona velocidades y horas aproximadas.

2.- La capacidad que debe poseer el generador para satisfacer las necesidades antes dichas, cálculo de áreas efectivas, rendimiento, etc. folletos del aerogenerador seleccionado con su respectiva cotización.

3.- Diagrama en AutoCAD o vicio del circuito eléctrico con sus correspondientes elementos y el cálculo de ellos o la razón de su elección todo acompañado de cotización.

Selección y estudio de la localidad rural del emplazamiento

Selección de la comunidad rural

El parámetro más significativo en la elección de una zona para instalar ungenerador eólico es la velocidad del viento. Buenos valores para evaluar los recursos de viento están en torno a velocidades mínimas de 3 a 4 m/s.

La instalación de un aerogenerador implica, por tanto, un conocimiento lo más amplio posible de las condiciones climatológicas, relativas a la frecuencia e intensidad de los vientos, los períodos de calma, etc. Así como también conocimientos topográficos de la zona, que permitan elegir una zona de instalación, dentro de un área estudiada, que sea lo más adecuada posible, tratando de evitar cualquier cuerpo que pueda bloquear la libre circulación del viento. Por otro lado, el conocimiento topográfico de la zona, a su vez, permite realizar interpolaciones del comportamiento de las velocidades del viento con la altura.Teniendo en cuenta la información anterior, una vez revisados los estudios ya realizados sobre potencial eólico en zonas rurales del país, se escoge la localidad de Camarones, comuna de Camarones, XV región de Arica y Parinacota, Chile.

Su ubicación geográfica es 18.997 S y 69.868 O, a 878,5 metros de altura con respecto al nivel del mar. Se encuentra a una distancia de 106 km de la ciudad de Arica.

Investigación sobre las condiciones climáticas de la localidad

Para realizar el proyecto de “Construcción de aerogenerador para vivienda” fue necesario realizar algunos análisis de datos meteorológicos en la localidad de Camarones. Esto se realizó mediante el apoyo web del explorador de energía eólica de la universidad de Chile: http://walker.dgf.uchile.cl/Explorador/Eolico2/.

Figura 2: Se muestran los ciclos medios de velocidad de viento a 127 metros según el mes del año (panel superior) y la hora del día (panel inferior), usando todos los datos disponibles en el período de simulación.

Figura 3: Velocidad de viento a 127 metros según la hora del día (eje vertical) y mes del año. El color y el número indican el promedio para el mes y la hora correspondiente.

Cuadro 4: Información estadística de la reconstrucción climatológica: Detalle mes a mes, en unidades de m/s. El símbolo v corresponde al valor de Viento promedio para la reconstrucción y v 2010 indica el promedio mensual de simulación con el modelo WRF para 2010. La variable σ corresponde a la desviación estándar de v.

Fig.4: Foto satelital de la localidad

Cálculos consumo de energía eléctrica del proyecto

1. Debemos determinar cuál es la potencia máxima instalada de

cada equipo o artefacto que está en la vivienda (W).

En este proyecto se considerará una vivienda que está completamente desconectada de la red eléctrica nacional y que solo será abastecida de electricidad por un aerogenerador, es decir, la casa cuanta con los sgtes artefactos electrodomésticos:

1 trasmisor de televisión: 700w

1 Televisor: 250w

5 focos de 25w cada una: 125w

Lo que da una potencia instalada de 1.075 W si todos los artefactos estuvieran funcionando al mismo tiempo.

Primero se debe calcular la corriente máxima que circulara por el circuito si todos los artefactos estuvieran en funcionamiento al mismo tiempo.

En nuestro caso se utilizara una tensión de 220V, ya que los artefactos que se alimentaran son del comercio normal y no han sido modificados para otro tipo de tensión, entonces:

I=Potencia/Tensión

I=1.075w/220V I=4,88A

La corriente máxima que circulara por nuestro circuito será de 4,88 ampere.

2. Potencia máxima de consumo (Wh/día)

En este punto necesitamos conocer cuál es la energía máxima de consumo de cada equipo o artefacto (Wh/d)

Artefactos Potencia (W) Cant Pot inst. (W) Hrs/dia Consumo (Wh/dia)

Televisor(1) 700 1 700 12 8.400focos led 25 5 125 12 300Televisor(2) 250 1 250 3 750

1.075 10.650

De acuerdo al cálculo anterior, obtenemos que el consumo del proyecto será de 10.650 Watt.

3. Dimensionamiento del banco de baterías:

Considerando que la profundidad de descarga no debe superar el 70% de la capacidad nominal de la batería, en consecuencia será:

Capacidad diaria del banco = 10.6500,7 = 15.214 Wh/día

Considerando que el equipo a adquirir es en 12 V, la capacidad del banco será de:

15.21412

= 1.268 Ah

Calculando una reserva para casi tres días sin viento, o sea sin carga de batería y un consumo pleno, el valor anterior será de 3.804 Ah, utilizando baterías estacionarias de 240 Ah el banco constará 15 baterías de 12 V, 240 Ah.

4. Dimensionamiento del controlador de carga

Tiene la misión de evitar situaciones de carga y sobrecarga de las baterías con el fin de alargar su vida útil.

Se recomienda un regulador marca EXMORK, tomando en cuenta el voltaje nominal del sistema de 220 Volt.

5. Dimensionamiento del sistema conversor de energía:

Tomando como valor medio anual del viento en la zona de aproximadamente 3 m/s.

Energía=12,78 Kwh, = 12.780 Wh

Para pasar a potencia consideramos las 8 horas de funcionamiento del aerogenerador

P=12.780 Wh/8 h

P=1.598 Watts.

6. Potencia del aerogenerador para nuestro proyecto

Esta energía almacenada viene dada por la siguiente expresión:

P = 12∗ρ∗A∗V 3

Donde P, es la potencia instantánea, la densidad del viento, A el área del rotor y V la velocidad del viento.

Si consiguiéramos extraer toda la energía contenida en el viento (lo cual no es posible como demuestra Betz), la energía generada a lo largo de un día sería:

Donde E es la energía total, P es la potencia instantánea y t el tiempo.

Para el desarrollo de nuestro proyecto y efectos de caculos, consideraremos que nuestra velocidad nominal del viento en dicha zona, será el valor mínimo de la velocidad media, que en este caso es de 3,8 m/s, como se muestra en la tabla adjunta.

Para seleccionar el dimensionamiento del aerogenerador realizamos el siguiente cálculo:

Pot. Aerogenerador * hrs de funcionamiento= E Aerogenerador

donde, sabemos que el consumo total de nuestro proyecto, considerando un sobre consumo del 20%, resultando 12,78 kWh de energía.

2 kW* 8 hr= 16 kWh

Energía diaria máxima consumida= 12,78 kWh.

Luego, la potencia de nuestro aerogenerador seleccionado será de 2 kW.

7. Selección e instalación del aerogenerador

Como el resultado del cálculo anterior fue de 16 kw, se opto por un aerogenerador de 2 Kw, el cual puede suministrar hasta 16 kW.

8. Flujo de caja para proyecto de inversión en la adquisición de un aerogenerador de 2 kW

El flujo de caja que se presenta a continuación, se realizo suponiendo un crédito bancario equivalente al monto de inversión por la compra del

equipo (EU 6.291,79) de $4.783.800, con un 12% de interés anual a cinco años de plazo, siendo el propietario el único inversionista.

El aerogenerador a instalar es de 2 kW, con todos los elementos necesarios para el almacenamiento y rectificación de la energía eléctrica.

9. Amortización de flujo de caja anteriormente expuesto

La tabla de amortización se realizo suponiendo un interés del 12% anual y a un plazo de 5 años.

Interés anual Años Préstamo Valor cuota0,12 5 4.783.800 1.327.073

Año 1 2 3 4 5Capital 4.783.800 4.030.783 3.187.405 2.242.821 1.184.886Tasa de interés 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12Interés 574.056 483.694 382.489 269.138 142.186Cuota 1.327.073 1.327.073 1.327.073 1.327.073 1.327.073Amortización 753.017 843.379 944.584 1.057.934 1.184.886

10. Análisis del flujo de caja y tabla de amortización

Como se desprende de la tabla de amortización, el crédito que se adquirió se puede devolver luego de 5 años, pagando una cuota anual al banco de $1.327.072,68 o una mensualidad de $110.589,39 como se puede apreciar la cuota mensual no es de un valor muy elevado, y además se debe restar al valor de la cuota, el valor de la cuenta de electricidad que se habría pagado si no existiera el aerogenerador.

Como el flujo de caja se realizo suponiendo una vida útil del aerogenerador de diez años, pero solo se necesitan cinco años para pagar el crédito cómodamente, se puede deducir que el resto de los años que le quedan al aerogenerador de vida solo habrá ahorro de gastos económicos en el consumo de energía del hogar donde se instalará el aerogenerador.

Además, como se sabe que el precio de la energía producida por los sistemas tradicionales de generación va a ir siempre en aumento, se puede decir que el ahorro será siempre mayor en el tiempo en comparación con el costo de la energía tradicional.

11. Selección e instalación del aerogenerador

Como el resultado del cálculo anterior fue de 2 kW, se opto por un aerogenerador marca Zonhan modelo HM-2KW Wind Turbine, esto es un kit y está conformado por las siguientes partes:

1 Timón de orientación 1 Tubo de Cola 1 Carcasa protectora 1 Alternador 1 Buje 3 Hélices 1 Cono frontal 1 Juego tornillería 1 Pletina fijación torre 1 Cuadro control / Regulador.

Como se desprende del listado anterior, solo está incluido en el kit, el aerogenerador desarmado, el cuadro de control con el regulador, que es un regulador de carga que protege a las baterías del sobre cargado y regula la tensión de salida, también da la opción de conectar un calentador de agua para cuando las baterías ya se hayan cargado pero todavía haya suficiente viento para seguir generando energía. Este kit no incluye la torre y tampoco incluye el cableado del sistema eléctrico.

Figura.: marca Zonhan, modelo HM-2KW Wind

Tabla: Datos técnicos del aerogenerador seleccionado

Rotor Diameter (m) 3.2Material and number of the blades Reinforced fiber glass*3

Rated power/maximum power 2000/2800w

Rated wind speed (m/s) 8

Startup wind speed (m/s) 2.5Working wind speed (m/s) 3~25Survived wind speed(m/s) 45Rated rotate speed(r/min) 380Working voltage DC24V/48V/120V/240V/300V

Generator style Three phase, permanent magnet

Charging method Constant voltage current saving

Speed regulation method Yaw+ Auto brakeWeight 88kg

Tower height (m) 9Suggested battery capacity 12V/200AH Deep cycle battery 8pcs

Life time 15years

Principales Aplicaciones

Una turbina de viento, que se instala en la parte superior de una torre alta, recoge la energía cinética del viento y la convierte en electricidad que es compatible con el sistema eléctrico de una casa.

En una aplicación residencial normal, un hogar se sirve simultáneamente por la turbina de viento y un servicio público local. Si las velocidades del viento están por debajo de la velocidad de corte en (7-10 mph) no habrá salida de la turbina y toda la potencia necesaria se compra a la utilidad. Como las velocidades del viento aumentan, la producción aumenta la

turbina y la cantidad de energía comprada a la utilidad se reduce proporcionalmente. Cuando la turbina produce más energía que las necesidades de la casa, la electricidad se vende a la utilidad. Todo esto se hace automáticamente.

5. El mantenimiento del aerogenerador

1. Comprobación, limpieza y lubricación de todas las piezas giratorias una vez por año.

2. Antes de la temporada de lluvia, la limpieza exterior y pintura de grasa antioxidante en la superficie de todas las piezas de conexión fija una vez al año.

3. Lubricación y mantenimiento del cojinete del generador una vez al año de funcionamiento.

4. Limpieza, quitar la herrumbre y la pintura de todas las partes expuestas una vez por cada dos años.

12. Proceso constructivo

ID Task Name Duration Start Finish

1 Proyecto Eolico Camarones 65 days 16 November 2015 8:00 12 February 2016 17:002 firma de contrato 1 day 16 November 2015 8:00 16 November 2015 17:00

3 DESARROLLO INGENIERIA DE DETALLES 17 days 17 November 2015 8:00 09 December 2015 17:004 desarrollo ingeneria basica 15 days 17 November 2015 8:00 07 December 2015 17:005 ingenieria detalle obras civiles 2 days 08 December 2015 8:00 09 December 2015 17:00

6 PLANOS DE CONSTRUCCIÓN 7 days 10 December 2015 8:00 18 December 2015 17:007 planos electricos 5 days 10 December 2015 8:00 16 December 2015 17:008 planos fundaciones 2 days 17 December 2015 8:00 18 December 2015 17:00

9 PLANOS MONTAJE 7 days 21 December 2015 8:00 29 December 2015 17:0010 levantamiento electrico 3 days 21 December 2015 8:00 23 December 2015 17:00

11 Finalización Planos de montaje 4 days 24 December 2015 8:00 29 December 2015 17:0012 OBRAS CIVILES 10 days 30 December 2015 8:00 12 January 2016 17:0013 Instalacion de Faena 2 days 30 December 2015 8:00 31 December 2015 17:00

14 Preparación del terreno 5 days 01 January 2016 8:00 07 January 2016 17:0015 despeje del terreno 3 days 08 January 2016 8:00 12 January 2016 17:00

16 Excavación OOCC 20 days 13 January 2016 8:00 09 February 2016 17:0017 traslado de materiales 5 days 13 January 2016 8:00 19 January 2016 17:00

18 tendido aereo 4 days 20 January 2016 8:00 25 January 2016 17:00

19 tendido subterraneo 4 days 26 January 2016 8:00 29 January 2016 17:0020 ereccion de torre 2 days 01 February 2016 8:00 02 February 2016 17:00

21 Moldaje y hormigonado 2 days 03 February 2016 8:00 04 February 2016 17:00

22 relleno 1 day 05 February 2016 8:00 05 February 2016 17:00

23 Terminaciones Generales 2 days 08 February 2016 8:00 09 February 2016 17:0024 ADQUISICIÓN DE EQUIPOS 65 days 16 November 2015 8:00 12 February 2016 17:0025 Articulos eléctricos y de control - Tablero fuerza y control 7 days 16 November 2015 8:00 24 November 2015 17:00

26 compra kit aerogenerador 20 days 25 November 2015 8:00 22 December 2015 17:0027 Compra piping eléctrico 5 days 23 December 2015 8:00 29 December 2015 17:00

28 chequeo de equipamiento 1 day 30 December 2015 8:00 30 December 2015 17:00

29 Transporte y Entrega de equipos a camarones 5 days 31 December 2015 8:00 06 January 2016 17:0030 Montaje e instalacion 3 days 07 January 2016 8:00 11 January 2016 17:00

08-11 15-11 22-11 29-11 06-12 13-12 20-12 27-12 03-01 10-01 17-01 24-01 31-01 07-02 14-02November December January February

13. Presupuesto de instalación

Item Designacionunida

d cant. P.unitario P.Total

I Equipamiento1 regulador de carga gl 1 50.000 50.0002 inversor de tensión gl 1 249.990 249.990

3Disyuntor automatico 25A gl 1 2.890 2.890

4 Disyuntor 32A gl 1 2.090 2.0900

5 Tablero de protecciones gl 1 8.490 8.490

6Conductor 10 AWG THHN m2 50 373 18.650

7 Armario metálico gl 1 200.000 200.0008 Conductor 6AWG THHN m2 50 144 7.2009 Baterías gl 15 180.000 2.700.000

10Torre aerogenerador 10 m gl 1 699.990 699.990

11 Aerogenerador 2 kW gl 1 850.000 850.000Neto 4.789.300IVA 909.967Traslado 250.000Total 5.949.267

Nuestra instalación sin considerar mantención tiene un valor $ 5.949.267Período de retorno de la inversión

El cobro de distribución estimado para nuestro proyecto, se estima considerando un monto aproximado mensual de $32.120, donde al ser calculo en el año obtenemos un gasto aproximado de $385.440.

Energía Base 18,375 kWCosto Aprox kW/h 105Cargo Fijo 925Cargo unico troncal 19Cargo servicio comun 545Ajuste sencillo anterior 56Menos Ajuste sencillo 98Total a Pagar 32.120

Como el período de retorno es de 12 años, se tiene un total de ahorro de 13 años de $5.010.720, convirtiéndose en un proyecto viable.

Inversión Gasto anual electricidad años retorno vida útil Total Ahorro

5.949.267 385.440 15 20 1.927.200

14. Listado de materiales:

1. Baterías

Estas membranas se encargaran de cargar 8 baterías de 12 V y ciclo profundo de 220 Ah de GEL y AGM (Deep Cycle AGM – del tipo BAT 412201080), cuyas dimensiones son 522X238X240 mm y 65 Kg, o similar, que cumpla las características técnicas especificadas.

2. inversor

Los inversores seleccionados para el sistema residencial y Sala comunitaria son de la marca EXMORK con salida en 110VAC/60Hz sinoidal pura disponen de indicadores de voltaje para la salida AC como de entrada en DC y un indicador de amperaje para la recarga.

3. dimensionamiento de conductores

El cableado ha de dimensionarse adecuadamente con el objeto de minimizar las caídas de tensión en la instalación. Para ello es

necesario seleccionar el tipo de cable (tipo de aislamiento, resistencia intemperie, etc.), su longitud y su sección. La longitud del cableado depende en gran medida del emplazamiento de la instalación. Se ha de procurar minimizar las longitudes de cableado entre los distintos elementos que componen la instalación.

La sección de los conductores se calcula en función de la longitud de los cables y de la corriente que circula por ellos. Se recomiendan los valores especificados a continuación: Caídas de tensión máxima entre generador y regulador/inversor: 3% Caídas de tensión máxima entre regulador y batería: 1% Caídas de tensión máxima entre inversor y batería: 1% Caídas de tensión máxima entre regulador e inversor: 1% Caídas de tensión máxima entre inversor/regulador y cargas: 3%

15. Conclusiones

Cuando logramos dimensionar la potencia de nuestro aerogenerador (2kW) para la localidad de Camarones, nos encontramos que fue difícil

de encontrar un aerogenerador que cumpliera con nuestras necesidades, como lo eran: velocidades del viento y potencia. Al pasar a una potencia mayor de 3 kW, era mayor el costo de adquision del equipo y además, las condiciones nominales de funcionamiento no eran para las que estaban diseñados. Por lo que se optó finalmente, por un equipo de procedencia China, ya que si lo proveían como un kit de partes y piezas, para nuestro tamaño de potencia calculada.

Cuando desarrollamos la parte económica, solo se puede hablar de un beneficio en todos los sentidos con respecto a la generación de energía mediante un sistema eólico.

Económicamente, utilizando un crédito normal, es decir un crédito bancario, ya después de cinco años se puede hablar de un ahorro total en el consumo de energía.

Realizando una amortización del crédito a diez años, ya las cuotas del mismo se hacen mucho más livianas, sin tomar en cuenta los beneficios y créditos estatales, que tienen un interés mucho menor, que se encuentran disponibles y que a futuro solo se puede esperar un aumento en la disponibilidad de ellos debido al incentivo para utilizar energías renovables.