Física
Prototipo: Energía eólica
Investigación documental
Las plantas de energía eólica
convierten la energía cinética del viento en electricidad mediante
aerogeneradores o turbinas eólicas. Estas turbinas tienen palas que giran
cuando el viento sopla, lo que hace que un rotor conectado a un generador se
mueva. El generador, a su vez, convierte la energía mecánica del rotor en
energía eléctrica. Esta electricidad es luego transmitida a través de una red
eléctrica para su uso en hogares y empresas. La eficiencia de estas plantas
depende de la velocidad y consistencia del viento, así como del diseño y
ubicación de las turbinas.
La producción de energía eólica
es dependiente del calentamiento de la superficie terrestre por acción de la
radiación solar, lo que provoca los vientos. En las zonas ecuatoriales se
produce una gran absorción de radiación solar, en comparación con las zonas
polares; el aire caliente se eleva en los trópicos y es reemplazado por masas
de aire frío superficial que proviene de los polos. Este ciclo se cierra con el
desplazamiento del aire, en la alta atmósfera, hacia los polos. Aunado a lo
anterior está la rotación de la tierra y los cambios estacionales de la
radiación solar incidente, que provocan variaciones en la magnitud y dirección
de los vientos dominantes en la corteza terrestre (Moragues y Rapallini, 2004).
Además del movimiento general de la atmósfera.
La obtención de electricidad
por medio centrales eólicas es una alternativa para obtener energía eléctrica
no contaminante, que evita daños ambientales tanto locales como
transfronterizos y que, al compararla con otras formas de producción de
energía, tales como las centrales térmicas o el núcleo eléctricas, resulta la
más cercana a la sustentabilidad. Las plantas Eolo-eléctricas no utilizan
combustibles como el carbón, combustóleo o cualquier derivado del petróleo o
gas natural. Tampoco emiten contaminantes al aire, ni provocan el efecto
invernadero o consumen agua u otro tipo recurso natural. Además, si se las
compara con una planta nucleoeléctrica, las centrales eólicas no generan
residuos peligrosos ni presentan riesgos a gran escala para las poblaciones
cercanas (Caldera, 2000).
Justificación Proyecto Verde
Como equipo decidimos elegir la
energía eólica (energía en base a aire) debido a que junto con otras energías
es de las que más se ha desarrollado en los últimos años, y ha sido de gran
ayuda al mundo ya que se ha ahorrado energía eléctrica que probablemente se
hubiera desperdiciado y/o dado un uso obsoleto. Pensando como comunidad
consciente y razonable, este tipo de energía no contamina y es sustentable,
reduciendo la dependencia de combustibles fósiles y la emisión de gases de
efecto invernadero. Es aire puro que ayuda a potenciar el desarrollo
sustentable de esta humanidad 20 veces más de lo que podría hacerlo la energía
eléctrica, que, está sufriendo las consecuencias de un mal manejo y explotación
de energías. Siendo una alternativa de bajo costo y que podría beneficiar a
comunidades y lugares de escasos recursos, y así, llevar energía a las zonas
necesitadas. También apoya a la economía del lugar donde hayas parques eólicos,
ayudando a los propietarios de esos terrenos, no menos importante los gobiernos
que también invierten en ella y en que se propague alrededor de todo el mundo.
Problemática social que resuelve
La problemática social a tratar
es la deficiencia energética dentro de las comunidades con muchas problemáticas
energéticas y también expandir las innovaciones en las energías renovables las
cuales el impacto ambiental sea mínimo dentro de comunidades con grandes
centros de concentración de uso energético no renovables que tenemos en
múltiples comunidades cómo lo son combustibles fósiles y gaseosos los cuales
son extremadamente dañinos para los ecosistemas y población dentro del área de
contaminación que emiten dichas energías.
¿A quién va dirigido?
Este proyecto va dirigido a los
residentes de una comunidad para educar y concienciar sobre los beneficios de
la energía eólica y promover su adopción en la misma, así como también en comercios
locales para promover la instalación de turbinas eólicas y reducir su
dependencia de fuentes de energía no renovables, como lo es la energía
eléctrica. Sin embargo, es importante que en escuelas y centros educativos se
integre la educación sobre la energía eólica y fomente la conciencia sobre la
importancia de las energías renovables. Es sumamente importante que las
autoridades y gobiernos de la comunidad desarrollen políticas y regulaciones
que favorezcan la instalación de parques eólicos autónomos para proporcionar
acceso a la energía sustentable y mejorar la calidad de vida.
Principios físicos que involucra el proyecto
Las plantas de energía eólica se basan en principios
físicos fundamentales que permiten la conversión de la energía cinética del
viento en energía eléctrica, los cuales son:
Ø Principio de Conservación de la Energía: Este principio de la física afirma que la energía no se
crea ni se destruye, solo se transforma. En el caso de la energía eólica, la
energía cinética del viento se transforma en energía mecánica cuando el viento
hace girar las palas del aerogenerador. El rotor del aerogenerador está
conectado a un generador, que transforma la energía mecánica (rotación del eje)
en energía eléctrica. Esto se realiza mediante la inducción electromagnética,
donde un campo magnético variable dentro del generador induce una corriente eléctrica
en las bobinas.
Ø Ley de Betz:
Esta ley establece que no se puede extraer más del 59.3% de la energía cinética
del viento que pasa a través de un aerogenerador, debido a las limitaciones
físicas inherentes a la conversión de energía. Esta es una limitación teórica
conocida como el límite de Betz.
Ø Energía Cinética del Viento: El viento es aire en movimiento, y como cualquier objeto en movimiento, posee energía cinética. La energía cinética del viento se puede calcular con la fórmula:
Ø Fuerza de Arrastre y Sustentación: Las palas del aerogenerador están diseñadas como las
alas de un avión, aprovechando la fuerza de sustentación más que la fuerza de
arrastre. Esta fuerza de sustentación, generada por la diferencia de presión en
las dos caras de las palas, es la que impulsa el giro del rotor.
Ø Principio de Bernoulli: Este principio se relaciona con el comportamiento de los
fluidos en movimiento, y se aplica al diseño de la pala. A medida que la
velocidad del flujo del aire aumenta, la presión disminuye. Esta diferencia de
presión genera la fuerza de sustentación que ayuda a girar las palas.
Antecedentes
En 1888 uno de los primeros ejemplos significativos de la
generación de electricidad eólica fue el aerogenerador diseñado por Brush en
Cleveland, Ohio. Este dispositivo, con una capacidad de 12 kW, fue capaz de
proporcionar electricidad para alimentar una casa.
Para 1890 en Dinamarca Paul LaCour construyó un
aerogenerador que también estaba destinado a la producción de electricidad por
lo que sus innovaciones contribuyeron al conocimiento acumulado sobre el diseño
y la eficiencia de los aerogeneradores.
En las últimas décadas, la tecnología ha avanzado
significativamente. Los aerogeneradores de pequeña escala están diseñados
específicamente para uso residencial y pueden integrarse con sistemas de
almacenamiento de energía y redes eléctricas domésticas. Estos dispositivos
permiten a los hogares generar electricidad a partir del viento y reducir la
dependencia de la red eléctrica convencional. Existen aerogeneradores diseñados
para montarse en techos o estructuras residenciales y modelos portátiles que se
pueden utilizar en áreas rurales o en viviendas alejadas de la red eléctrica.
así como la eficiencia de los aerogeneradores ha mejorado, y los costos han
disminuido, haciendo que la energía eólica sea una opción cada vez más
accesible para los hogares. Los avances en materiales, diseño y control de
sistemas han permitido la creación de aerogeneradores más compactos y
silenciosos.
PROPUESTA DEL PROTOTIPO
Forma física
Es una turbina eólica sobre una base
la cual suministra energía a una casa. Las aspas están hechas de aluminio,
llevará un pequeño motor que genere la energía necesaria para abastecer de
energía eléctrica de la casa, la base está hecha de madera y cartón.
Las aspas de una turbina eólica tienen
una forma aerodinámica específica para maximizar la eficiencia en la captura
del viento. Están diseñadas para crear una diferencia de presión entre la parte
superior e inferior, lo que permite que se genere sustentación, además de reducir
la resistencia del aire y distribuir las fuerzas ejercidas por el viento de
manera uniforme a lo largo del aspa, reduciendo el riesgo de daños y aumentando
la durabilidad.
La base está diseñada para anclarse
firmemente al suelo, siendo lo suficientemente robusta para soportar el peso de
la turbina y resistir las fuerzas del viento, pero que a la vez permita el
fácil mantenimiento y minimice costos.
Costos
El costo de una placa de aluminio
ronda entre los 700-1000 pesos, el pequeño motor cuesta entre los 1500-2000
pesos, un metro de cable ronda los 30 pesos y los polines de madera de
aproximadamente 2.5 m de largo saldrían en unos 150-200 pesos cada uno.
Ajustando costos, en general serían unos 11,500 pesos aproximadamente para
realizar el prototipo a escala.
En comparación a una instalación
residencial, que ronda los 100,000-120,000 pesos y una instalación industrial,
que cuesta de 1.3 a 2.2 millones de pesos por MW de capacidad, es un costo
mucho menor.
Materiales por emplear:
Ø
4 placas de aluminio
Ø
12 polines de madera
Ø
Motor pequeño
Ø
Cables
Ø
Electrónica para el circuito
Ø
Tornillos o clavos
Instrucciones:
1.
Calcula las dimensiones a escala de cada componente a
utilizar para el prototipo.
2.
Marca y corta las placas de aluminio en la forma deseada
para las aspas utilizando una sierra para metal. Asegúrate de que las aspas
tengan un perfil aerodinámico adecuado.
3.
Lija los bordes afilados de las aspas para evitar cortes
y proporcionar un acabado suave.
4.
Corta los polines de madera para el mástil y la base de
la turbina. La base debe ser lo suficientemente grande para ofrecer
estabilidad.
5.
Arma la base de madera, uniendo las partes mediante
tornillos.
6.
Arma el circuito del motor y los cables que le darán
energía a la casa, conectándolo a las aspas.
7.
Integra el circuito a la base de forma que quede estable.
Conecta con el circuito de la casa
Referencias:
·
Sánchez,
M. P., & Rivas, J. (2006). Energía eólica y su incidencia en la red
eléctrica. Revista Ingeniería Investigación y Tecnología, 7(4), 275-287. https://ve.scielo.org/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0378-18442006000400002#:~:text=La%20obtenci%C3%B3n%20de%20electricidad%20por,las%20n%C3%BAcleo%20el%C3%A9ctricas%2C%20resulta%20la
·
Iberdrola. (sin dato). Energía eólica. Iberdrola.
Recuperado el 5 de septiembre de 2024, de https://www.iberdrola.com/sostenibilidad/energia-eolica
·
Vargas Mejía Aldo. (2010). Energía eólica: Principio
físico. Wordpress. https://energiaunam.wordpress.com/2010/03/02/energia-eolica-principio-fisico/
·
Oteiza, P. (2021). Historia de la energía eólica:
Origen y desarrollo hasta la II Guerra Mundial. BBVA OpenMind. https://www.bbvaopenmind.com/tecnologia/innovacion/historia-energia-eolica-origen-ii-guerra-mundial/
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