El presente trabajo de tesis desarrolla un procedimiento para analizar aerodinámicamente la hélice de un aerogenerador tripala de eje horizontal de 3kW mediante simulación numérica. El alcance del análisis aerodinámico para este trabajo abarca el análisis cualitativo de los resultados obtenidos por simulación numérica de líneas de flujo y mapa de presiones, entre otras. Además, realizar un análisis cuantitativo y comparativo de los valores de torque mecánico por dos métodos diferentes. El primer método, se le llama método o cálculo analítico, trabaja un proceso de cálculo iterativo para aerogeneradores de eje horizontal. A través de este proceso se calcula el valor aproximado de dos parámetros importantes (los factores de inducción) con los cuales es posible obtener la distribución de fuerzas y torque. En parte de este método, se aplica el software libre QBLADE, especializado en perfiles aerodinámicos. El segundo método es un análisis por volúmenes finitos para flujo externo mediante simulación numérica. En este procedimiento se desarrolla un modelo de simulación eficaz y eficiente, en cuanto a resultados y tiempo de uso computacional. De este método se obtiene líneas de flujo, mapa de presiones, mapa de contorno de la velocidad del flujo y representación gráfica de los remolinos formados en el extremo final de las palas. También se obtienen valores numéricos del torque mecánico para cada condición de trabajo de la hélice. Para este método se usa el software ANSYS CFX. Una vez obtenido los resultados, son comparados y analizados, siendo posible obtener conclusiones y recomendaciones útiles como procedimiento de investigaciones y diseños futuros. Se concluye que se tiene un modelo de simulación óptimo para el análisis planteado para este trabajo, con resultados físicamente admisibles según el límite de energía máxima extraíble del viento. El modelo de simulación es capaz de representar gráficamente, de manera correcta, los efectos físicos en el flujo, prueba fehaciente de ello son la concordancia de estos con sus esperados teóricos. Además se rescata la confiabilidad de los resultados por simulación al no alejarse demasiado de los analíticos, al tener que para condición de trabajo nominal, el valor de torque mecánico por simulación numérica (162.32 Nm) y el resultados por método analítico (178.61 Nm) generan un error relativo de 10%, y un error relativo máximo de 11% de las diferentes condiciones de trabajo analizadas. / Tesis

El objetivo principal de este trabajo consiste en el diseño de un generador sincrónico a base de imanes permanentes, para su utilización con una turbina eólica, en la perspectiva de posibilitar el abastecimiento de energía eléctrica en zonas rurales del país. La metodología utilizada se inicia con el diseño de las características eléctricas del generador, considerando las características aerodinámicas de una hélice modelo, a fin de obtener la respuesta de la turbina eólica equipada con el equipo eléctrico de generación diseñado. Posteriormente se presentan los estudios tanto de clima como de demanda eléctrica de una comunidad rural del país, la cual se escoge para realizar un cálculo de abastecimiento energético con las máquinas diseñadas. Conocidos los resultados de los cálculos, entre los cuales está el porcentaje de la demanda que es posible abastecer con las máquinas diseñadas, se realiza una evaluación económica que considera el costo de construir y operar estas turbinas eólicas durante un determinado período de tiempo y el ahorro en consumo de petróleo diesel, correspondiente al energético primario de un grupo electrógeno que debería entregar la energía eléctrica ahora generada en base a la energía eólica. Con esto se concluye la factibilidad de la utilización de este tipo de turbinas como solución al abastecimiento eléctrico dentro de zonas rurales, climáticamente aptas

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El creciente interés a nivel mundial en el aprovechamiento de las fuentes alternativas de energías limpias y renovables ha impulsado intensamente los avances tecnológicos que permiten la conversión de energía ambiental vibratoria en energía eléctrica. Esta técnica conocida como “recolección de energía” (Energy harvesting) consiste en convertir energía mecánica en eléctrica con el objetivo de alimentar dispositivos electrónicos de baja potencia tales como sensores. En este marco, en la presente tesis se presenta el desarrollo de un dispositivo recolector piezoeléctrico de energía rotante para la alimentación de sensores inalámbricos aplicados a aerogeneradores. Con el objetivo de simular el comportamiento electromecánico del dispositivo, se desarrolla una herramienta computacional basada en una formulación unidimensional de elementos finitos válida para sistemas estructurales con múltiples vinculaciones contemplando los efectos inducidos por el movimiento de rotación, el acoplamiento electromecánico y múltiples láminas de material piezoeléctrico. El enfoque numérico es formulado por medio de un elemento finito geométricamente no lineal con seis grados de libertad mecánicos y un grado de libertad eléctrico por nodo. El novedoso dispositivo que se obtiene como producto final consiste en un diseño estructural compuesto por múltiples vigas vinculadas entre sí, masas puntuales ubicadas en los extremos libres y una lámina de MFC (Macro Fiber Composite) adherida a una de las vigas. Como aspecto fundamental del dispositivo se destaca la capacidad de generar energía en condición resonante y no resonante en un rango de baja frecuencia de operación; este comportamiento se debe a la gran flexibilidad otorgada por las múltiples vigas y masas puntuales. Entre los distintos aspectos analizados se encuentra la influencia de la fuerza centrífuga, la resistencia eléctrica de carga, la ubicación y cantidad de los materiales piezoeléctricos y su conexión eléctrica (serie y paralelo). Como principal aplicación de los recolectores de energía desarrollados en este trabajo se encuentra su utilización para el sensado estructural de aerogeneradores, donde el dispositivo está sujeto a aceleraciones de 1g y velocidades de rotación de 0.5 a 3 Hz (30 – 180 rpm). Los resultados obtenidos a partir de la formulación numérica son comparados exitosamente con los resultados numéricos de Abaqus y los experimentales de laboratorio. Finalmente, se observa que el diseño propuesto proporciona suficiente potencia eléctrica para energizar un sensor y un sistema transmisor inalámbrico de datos. / The growing global interest in the use of alternative sources of clean and renewable energies has allowed the development of many technologies of energy harvesting in ambient vibration. The energy harvesting technique based on piezoelectric effect is a mechanism to convert mechanical into electrical energy to power electronic devices such as sensors. In this context, this thesis presents a novel piezoelectric energy harvester that scavenging energy from rotating environment, allowing the feeding of wireless sensors. In order to modeling the electromechanical behavior of the device, a one-dimensional finite element formulation is developed. This approach presents the ability to predict the dynamical behavior of tridimensional (3D) rotational energy harvesting devices, considering complex geometric configurations, geometrically nonlinear effects induced by the centrifugal forces and the electromechanical coupling. The beam model is formulated by means of a geometrically nonlinear finite element (FE) with six mechanical degrees of freedom per node and one electrical degree of freedom interpolated using standard linear shape functions. The proposed harvester consists in two multiple beams linked by a rigid beam. The multiple beams have attached masses at the free ends and a Macro Fiber Composite piezoelectric sheet bonded on one of the beams. As a fundamental aspect, the piezoelectric energy harvester operates in resonance and non-resonance condition in a very low frequency range. This behavior is due to the large flexibility given by the multiple beams and masses. The harvesting performance is analyzed by several electric resistances (Re), three hub distances (R), several rotation speed () ranging from 0 to 3 Hz, several positions of the piezoelectric material (“MFC Lateral” and “MFC Central”) and two electric connections (series and parallel) between the MFC patches. The main application of the proposed energy harvester is for the structural sensing of wind turbines, where the prototype is subjected to accelerations of 1g and rotation speeds from 0.5 to 3 Hz (30 – 180 rpm). The numerical model is successfully validated with Shell 3D models in Abaqus and also with experimental results. Finally, it is concluded that the proposed design provides sufficient electric power to energize a sensor and a wireless data transmitter system.

La energía eólica en el Perú emplea en un 100% aerogeneradores de eje horizontal para la generación de energía eléctrica. El uso de aerogeneradores de eje vertical no se promueve para la construcción de granjas eólicas debido a la baja eficiencia de sus rotores; sin embargo, su geometría favorece su aplicación para la generación de energía en aplicaciones domésticas. El rotor de eje vertical Savonious fue desarrollado con la finalidad de poder generar electricidad a velocidades tan bajas como 5 m/s. Sin embargo, sus alabes no permiten una sustentación del movimiento del rotor a velocidades tan bajas. Como consecuencia, se desarrolló el rotor Savonious-curvado que genera un mayor torque; debido a que, tiene mayor número de puntos de contacto entre el rotor y el viento. Esta tesis se propone el diseño de un aerogenerador vertical Savonius-curvado, para su ensayo en un túnel de viento de 50 x 50 cm de área de sección de ensayo, para la determinación de sus coeficientes de desempeño para velocidades desde 0.5 m/s a 30 m/s. Se realizara los planos mecánicos del rotor y del sistema de sujeción que se empleara para posicionar el rotor en el túnel de viento. Además, se planteara el protocolo de ensayo para determinar el torque y la velocidad del rotor experimentalmente.

Actualmente el agotamiento de los combustibles fósiles combinados con la creciente preocupación por la contaminación ambiental, ha llevado a pensar en nuevas alternativas para la generación de energía eléctrica. Las energías renovables son una alternativa ecológica dentro de las cuales la energía del viento es capaz de cubrir las necesidades energéticas en varias regiones del mundo. Los aerogeneradores son herramientas que permiten capturar y convertir la energía cinética del viento en mecánica y posteriormente en eléctrica. En Perú se está implementando un plan a largo plazo para la electrificación rural por energías renovables para localidades remotas en el cual se espera que se introduzcan formas eficientes de generación eléctrica a escala pequeña. Debido a eso, surge la necesidad de conocer nuevas alternativas de energías consideradas como limpias. La presente tesis tiene como objetivo diseñar un aerogenerador vertical modelo Darrieus, como una alternativa adicional a los aerogeneradores horizontales convencionales, el cual se empleará posteriormente para realizar ensayos en el túnel de viento del Laboratorio de Energía de la PUCP con la finalidad de estudiar sus posibilidades técnicas para la generación de electricidad a pequeña escala. Para alcanzar el objetivo propuesto, en primer lugar, se realizó un análisis aerodinámico matemático en el software Matlab para poder definir los parámetros más eficientes y obtener los valores de los coeficientes de arrastre y sustentación, así como las fuerzas producto de ellos, el torque y el desempeño evaluados en un rango promedio de velocidades (3-6 m/s) que se producen en la región peruana. En segundo lugar, luego de determinar las cargas sobre las palas del aerogenerador, se realizó el diseño estructural, dimensionamiento y selección de los materiales, a una velocidad máxima de 10 m/s, que conforman los componentes de tal forma que sean lo más ligero y pequeño posibles para que no interfieran con el flujo de aire. Finalmente, se realizó la cotización para la fabricación del diseño del aerogenerador Darrieus. Como resultado se obtuvo un aerogenerador modelo Darrieus con 3 palas de 330 mm de longitud y 6 cm de longitud de cuerda, cuyo máximo coeficiente de potencia resultó ser 0,3619 y se da cuando la longitud de la pala es igual al diámetro del rotor; es decir, con un diámetro de 330 mm. Finalmente, el presupuesto para la fabricación del proyecto propuesto asciende a s/ 15 418,66 que incluye costo de asesor y tesista, costos de los elementos normalizados, elementos estructurales y costos de fabricación y maquinado

La presente tesis tiene como objetivo principal comprobar el diseño de la torre, la góndola y la hélice de un aerogenerador tripala de 20 kW y eje horizontal, empleando simulación numérica computacional mediante el software ANSYS. Se realizó el estudio aerodinámico de la hélice, obteniéndose el campo de presiones que actúa sobre la misma, así como el torque y la potencia que es capaz de transmitir. Con la distribución de presiones obtenida se procedió a realizar el análisis estructural de la hélice, obteniéndose un factor de seguridad de 1.3. Se determinaron también las frecuencias naturales y los modos de vibración de la hélice, observándose que no ocurrirá el fenómeno de resonancia. Posteriormente se realizó un análisis estático estructural de la torre bajo dos escenarios: posición de funcionamiento y posición inicial de izaje, el cual permitió obtener la distribución de esfuerzos y desplazamientos de la misma. A partir de estos resultados se tiene que la torre trabajaría con un factor de seguridad por resistencia no inferior a 1.3. Mediante un análisis de estabilidad se obtuvo el factor de pandeo de la torre, igual a 31. También se obtuvieron los modos de vibración de la torre y sus correspondientes frecuencias naturales, observándose que las frecuencias naturales están alejadas de la frecuencia nominal de trabajo. Mediante otro análisis estructural estático se obtuvieron los resultados de esfuerzos y desplazamientos para de los componentes de la góndola, que fueron analizados de forma individual y en conjunto. El factor de seguridad de estos componentes es superior a 1.2. Los estudios de simulación estructurales de la torre y góndola se verificaron a través de cálculos analíticos, comprobándose que los resultados son correctos. Los resultados obtenidos permiten concluir que el diseño propuesto por la empresa WAIRA, evaluado bajo las condiciones descritas en este documento, está apto para operar adecuadamente.

Las energías renovables constituyen un recurso importante en el mundo ya que no contaminan el ambiente en comparación con los recursos fósiles. En el mundo se cuenta con un gran potencial de fuentes de energía renovables como el agua (energía hidráulica), los desechos (biomasa), aire (energía eólica), entre otros. Sin embargo, el potencial total de estas energías no son aprovechadas debido a factores como costos, falta de lugares idóneos para su implementación y factores que pueden afectar en muchos casos el hábitat de los animales. En el Perú, el potencial teórico de energía eólica es de alrededor de 22 000 MW contra una capacidad instalada de 239 MW, lo cual representa 1 % del total que se podría obtener. Las principales barreras para un mayor aprovechamiento del potencial eólico son los costos y la tecnología. Dado que el potencial de energía eólica y su crecimiento está basado en la altura de las torres de los aerogeneradores, su desarrollo se ve impedido por el transporte y la maquinaria necesaria para su instalación a más de 100 m de altura. Por ello, en el presente trabajo se desarrolla el diseño de un sistema generador de electricidad con una estructura tipo cometa como dispositivo para captar la energía cinética del aire a alturas mayores a 100 m. El diseño cuenta con una cometa que está unida mediante cables a una unidad de control que cuenta con dos motores DC que modifican el perfil de la cometa para controlar su trayectoria. La unidad de control se une también mediante cables a una estación en tierra donde se encuentra un tambor que transmite el movimiento al generador. En la estación en tierra se ubica un motor AC para retornar la cometa una vez que esta haya alcanzado la altura máxima de operación. El generador se conecta a un banco de baterías para almacenar la energía producida. El control de la trayectoria se realiza mediante un control en tiempo real y módulos de posicionamiento, así como sensores de velocidad de viento, sensores de fuerzas, temperatura y voltaje para asegurar la seguridad del sistema. La metodología del diseño propuesto se delimita a partir del estado del arte encontrado. Luego, se definen los conceptos de solución y se evalúa el concepto de solución óptimo. Se realiza también una evaluación de los sensores y actuadores a usar a partir de los requerimientos establecidos, y se define una estrategia de control para la trayectoria en la generación de energía. El resultado final del diseño se muestra en las ilustraciones del documento y planos. / Tesis

En el presente trabajo de título se analiza teórica y experimentalmente el funcionamiento de una máquina de inducción de jaula de ardilla, operando como generador de un aerogenerador conectado a la red. El objetivo es analizar y caracterizar el comportamiento del aerogenerador, determinando valores de velocidad límites de operación, en la zona de generador de la máquina de inducción. En efecto, una máquina de inducción de jaula de ardilla simple, debe operar a velocidad mayor a la síncrona para generar; y a su vez, la máquina no debe superar determinado valor de velocidad, para evitar elevadas corrientes que la dañarían por temperatura. Para estudiar experimentalmente este comportamiento, como máquina motriz se utiliza un motor de corriente continua, el cual emula a la hélice del aerogenerador movida por el viento. De esta forma, se obtienen experimentalmente los parámetros de la máquina de inducción y su rango de generación, que resulta ser relativamente pequeño (1500 a 1516 [rpm] en el caso estudiado). Con los parámetros mencionados, se realizan cálculos en base a modelos simplificados, para comparar los resultados experimentales con los teóricos y asegurar la confiabilidad del modelo. Para ampliar el rango útil de velocidades de generación antes obtenido, se realizan pruebas experimentales conectando el generador a la red mediante un variador de frecuencia y empleando una máquina de inducción de rotor bobinado. En el primer caso, se muestra que controlando la frecuencia del variador, es posible generar en un amplio rango de velocidades. Y en el caso de rotor bobinado, se encuentra que agregando resistencias al rotor también se obtiene una ampliación en el rango de velocidades de generación, pero menos significativa que con el variador de frecuencia. Finalmente, se hace una aplicación teórica para una instalación donde se conoce el régimen de viento y la curva de demanda. Primero se especifican la hélice y el generador, y luego – mediante modelos de la hélice y del generador – se evalúa el rango de velocidades en que se puede generar, tanto para el generador conectado directo a la red, como también conectado mediante un variador de frecuencia. Al evaluar el ahorro de energía que se logra, se concluye que la solución propuesta con variador de frecuencia es notablemente mejor y se justifica estudiarla en más detalle en un trabajo próximo.

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