Proyecto De Fisica Final.docx

FACULTAD DE INGENIERÍA “EVALUACIÓN DE LOS PARAMETROS DE UN GENERADOR EÓLICO PARA OBTENER VOLTAJES”

Informe del curso:

Física General

Integrantes: Alfaro Castillo Luis Chamay Arzabe Frank Cruz Céspedes Tiffany Valeria Fernandez Florián Mirya Kaira García Tapullima Claudia Mendieta Argomedo Gianina

Docente: Miguel Angel Valverde Alva

TRUJILLO – PERÚ 2018 1

Índice de contenido I.

Objetivos: ............................................................................................................................... 5

1.1.

Objetivo general: ................................................................................................................ 5

1.2.

Objetivos específicos: ......................................................................................................... 5

II. Marco teórico: ........................................................................................................................ 5 2.1. Distancia.................................................................................................................................. 5 2.2.

Voltaje: ................................................................................................................................ 5

2.3.

Velocidad tangencial y velocidad angular ....................................................................... 6

2.4.

Aerogenerador eólico ......................................................................................................... 6

2.5.

Parámetros.......................................................................................................................... 6

III.

Instrumentos y materiales:................................................................................................ 6

IV.

Sistema experimental: ....................................................................................................... 8

V. Metodología experimental: ................................................................................................... 9 5.1. Diseño del generador eólico ............................................................................................... 9 5.2. Toma de datos: ..................................................................................................................... 10 VI.

Resultados y análisis ........................................................................................................ 11

6.1. Cálculos para hallar las velocidades angulares: ............................................................... 15 VII. Conclusiones: .................................................................................................................... 16 VIII. Agradecimiento: ............................................................................................................... 16 IX.

Referencias: ...................................................................................................................... 16

X. Anexos ................................................................................................................................... 17

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Índice de tablas Tabla N°1. Equipos y cantidad necesaria de estos mismos. ........................................................... 6 Tabla N°2. Materiales y unidades necesarias del mismo................................................................ 7 Tabla N°3 Datos experimentales .................................................................................................. 11 Tabla 4 Distancia vs velocidad del viento .................................................................................... 11 Tabla N°5. Distancia vs voltaje .................................................................................................... 12 Tabla N°6. Velocidad vs voltaje ................................................................................................... 13 Tabla N°7. Velocidad tangencial vs velocidad angular ................................................................ 14

Índice de anexos Anexo N°1. Materiales del aerogenerador eólico. ...................................................................................... 17 Anexo N°2. Instalación del sistema y equipos de para la toma de datos. .................................................. 17 Anexo N°3. Toma de datos. ........................................................................................................................ 18 Anexo N°4. Toma de los parámetros a estudiar. ........................................................................................ 18

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Resumen En el proyecto de investigación “Evaluación del voltaje generado por la velocidad angular en un generador eólico dependiendo la distancia y velocidad del viento” se tiene como objetivo general hallar los parámetros que intervienen en un generador eólico para obtener distintos voltajes y como objetivos específicos, hallar la velocidad angular como magnitud de la rapidez en la que giran las palas de generador eólico, evaluar la velocidad del viento dependiendo de la distancia en cierto intervalos de 10cm en donde se coloque el soplador para generar voltajes y determinar el mínimo y máximo voltaje como función de la velocidad del viento y distancia en donde se encuentra el soplador del generador eólico, para armar el sistema se usan materiales como tubos de pvc, un dinamo, un ventilador de computadora, cables rojo y negro, alambre de estaño, un foco, planchas de cartón, 1 precinto, un interruptor, remaches y pegamento, con estos materiales se construye la base que será el soporte de todo el sistema, la construcción del pedestal usando los tubos de pvc, luego se une el pedestal con el dínamo, uniendo el centro de las palas hacia la polea mediante el uso de pegamento y finalmente se coloca el foco y se realiza la conexión de los cables rojo y negro, para la toma de datos se usa equipos como un voltímetro, anemómetro, pinzas ajustadoras, un pc con el programa logger pro, un sensor de luz y un soplador, este se usa como recurso eólico, manteniendo a una distancia inicial de 72 cm, luego se halla los parámetros que intervienen como velocidad del viento, distancia, velocidad tangencial, velocidad angular y esto nos da como consecuencia un voltaje, este va variar dependiendo la distancia en la que se coloque el soplador, se realizan 6 toma de datos teniendo como intervalos 10 cm de distancia, logger pro nos da la velocidad tangencial, está dividida entre el radio de las palas nos da la velocidad angular, finalmente podemos ver cuáles son los parámetros que intervienen en la evaluación de un generador eólico para finalizar estos datos se representan en cuadros y gráficos estadísticos para una mejor apreciación.

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I.

Objetivos: 1.1.Objetivo general: Hallar los parámetros que intervienen en un generador eólico para obtener distintos voltajes

1.2. Objetivos específicos: •

Hallar la velocidad angular como magnitud de la rapidez en la que giran las palas del generador eólico.

•

Evaluar la velocidad del viento dependiendo de la distancia en ciertos intervalos de 10cm en donde se coloque el soplador para generar voltajes.

•

Determinar el mínimo y máximo voltaje como función de la velocidad del viento y distancia en donde se encuentra el soplador del aerogenerador eólico.

II.

Marco teórico: 2.1. Distancia La distancia es una magnitud que mide la relación de lejanía o cercanía entre dos cuerpos, objetos o individuos. Para la geometría euclidiana, la distancia entre dos puntos es la longitud del camino más corto entre ambos. Es decir, la medición del grado de cercanía que existe entre los dos. (Bembibre, 2009)

2.2.Voltaje: El voltaje es la magnitud física que, en un circuito eléctrico, impulsa a los electrones a lo largo de un conductor. Es decir, conduce la energía eléctrica con mayor o menor potencia. (Bembibre, DefinicionABC, 2009)

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2.3.Velocidad tangencial y velocidad angular La velocidad tangencial es igual a la velocidad angular por el radio. Se llama tangencial porque es tangente a la trayectoria. Además, la velocidad tangencial es un vector, que resulta del producto vectorial del vector velocidad angular (ω) por el vector posición (r). (Formulas, 2018)

2.4. Aerogenerador eólico Un aerogenerador es aquel dispositivo que convierte la energía cinética en energía eléctrica. Según la tecnología del aerogenerador, las palas giran entre 13 y 20 revoluciones por minuto, a una velocidad constante o bien a velocidad variable. (Acciona, s.f.)

2.5.Parámetros Como parámetros se definen a aquellas variables y constantes que aparecen en una expresión matemática, siendo su variación la que da lugar a las distintas soluciones de un problema. (García, 2016)

III.

Instrumentos y materiales: Tabla N°1. Equipos y cantidad necesaria de estos mismos.

Equipos

Cantidad

Sensor de luz

1 unid

Anemómetro

1 unid

Soplador

1 unid

Un pc con el programa logger pro

1 unid

Voltímetro

1 unid

Soportes para el sensor de luz

1 unid

Pinzas ajustadoras

1 unid

Broca

1 unid

Talando

1 unid 6

Tabla N°2. Materiales y unidades necesarias del mismo.

Materiales

Unidades

tuvo de pvc de 5 cm

1 unid

tuvo de pvc de 15 cm

1 unid

Dínamo

1 unid

Plancha de cartón de 41x21cm

1 unid

Remaches 3-16 cm

2 unid

Precinto

1 unid

Interruptor

1 unid

foco LED

1 unid

Ventilador de computadora

1 unid

Alambre de estaño

1 und

Pegamento pvc

1 unid

Cables rojo y negro

1 unid c/u

Papel de 1 cm de ancho/ 7 cm de largo

1 unid

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IV.

Sistema experimental:

Foto N°1. evaluación de los parámetros que implica un generador eólico para generar voltajes

1) soporte o pedestal: es el tuvo que sostiene el sistema armado a 15 centímetros de altura de la base de cartón 2) palas: están elaboradas de un ventilador de computadora con un radio de 7 cm y es el encargado de transforman la energía cinética producida por el viento en energía mecánica 3) dínamo: es un generador eléctrico destinado a la transformación de flujo magnético en electricidad mediante el fenómeno de la inducción electromagnética, generando una corriente continua 4) Cables: son conductores de electricidad, para el sistema se utilizan 2 un rojo (positivo) y un negro (negativo)

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5) Foco: en el encargado de emitir luz a través de la energía conducida por los cables y generados por la transformación de energía por las palas 6) Voltímetro: instrumento empleado para medir el voltaje producido por el generador eólico 7) Sensor de luz: determina la velocidad tangencial utilizando el programa logger pro para conocer la magnitud con la que giran las palas del generador eólico 8) Anemómetro: determina la velocidad del viento emita por el soplador 9) Regla: es utilizada para medir los intervalos de 10 cm desde cada espacio dado (72, 62, 52, 42, 32, 22) 10) Soplador: es un instrumento que genera viento, se usa como recurso eólico para hacer girar las palas 11) soporte universal: utilizado para sostener el sensor de luz a la altura y dirección de las palas 12) papel en una de las palas: para que el sensor de luz detecte la velocidad de las palas V.

Metodología experimental: 5.1. Diseño del generador eólico

Para el diseño del aerogenerador se dio inició con la construcción de la base que sostendrá todo el sistema, esta se armó mediante el uso de 3 cartones de 41cm de largo y 21cm de ancho, apilados uno encima del otro, fijados con pegamento de PVC, haciendo un corte de 15x15 cm en el centro de las 2 últimas capas, posteriormente a ello se realizaron 3 agujeros a una distancia prudente. El primer agujero para el interruptor, de tal manera que este quepa exacto en él, el segundo es más pequeño, el cual ira debajo de la base del soporte o pedestal con el objetivo que pasen los cables del dinamo y el tercer agujero en donde se ubicó el foco led 9

Luego se continuo con la construcción del soporte o pedestal del dínamo, este está hecho mediante un tubo de pvc de 1 pulgada y 15 cm de altura, para fijarlo en el cartón, se usó un tubo de 8 cm de largo, se realizó 4 cortes de tal manera que se pueda asentar en la base, una vez terminada se realizó la unión de la base de cartón con la base de soporte o pedestal, para ello se realizaron 4 agujeros, dos de ellos se hicieron en dos laminillas de lata, con el taladro y la broca; una vez echo se fijaron haciendo uso de 2 remaches colocando antes de esto las dos laminillas de lata con el fin de que los remaches no revienten al cartón. El siguiente paso fue soldar con un alambre de estaño, dos cables (+ y -) en la parte inferior del dinamo, los cuales se pasaron a través del soporte, base del soporte y el agujero de la base de cartón, posteriormente se fija el soporte con el dinamo mediante un precinto. Una vez unidos, se comenzó a pegar el centro de las palas hacia la polea con pegamento de pvc teniendo así la estructura principal del aerogenerador. Finalmente se colocó el foco con su respectivo cable en el agujero de la base, donde se le hizo un corte dejando a la vista el cable + y -, los cuales se sueldan al interruptor junto con los cables + y – de la estructura principal, teniendo así todo el sistema unido y listo para las pruebas respectivas. 5.2. Toma de datos: La toma de datos con nuestro generador eólico casero en laboratorio se hizo de la siguiente manera: El primer paso fue instalar el aerogenerador eólico casero en la mesa de trabajo de laboratorio, posteriormente se le comunica al profesor Valverde proporcionar los instrumentos necesarios para la obtención de datos cuales son: sensores de luz con sus conexiones respectivas (C1y C2), soporte universal con su pinza sujetadora, anemómetro, pc con el programa logger pro con sus respectivas conexiones y un soplador. El siguiente paso fue unir los sensores de luz al soporte universal mediante las pinzas sujetadoras, seguidamente conectar el C1 y C2 al sensor y a las entradas de logger pro, donde este ultimó se instaló, para lograr la lectura de datos de la velocidad tangencial. 10

Una vez instalado se le pego un pedazo de papel de 1cm de ancho y 6 cm de largo con la finalidad de que este sea detectado por los sensores, luego de haber ubicado todos los sensores en el sistema (aerogenerador) se inicia con la toma de datos teniendo en cuenta 6 distancias (72, 62, 52, 42, 32 y 22 cm) en las cuales se colocó el soplador y el anemómetro delante del centro de giro de las palas para obtener la velocidad del viento y el voltaje, así mismo al funcionar el generador eólico, el papel colocado en las palas pasa por los sensores y así logrando que logger pro nos proporcione la velocidad tangencial con la finalidad de hallar la velocidad angular (r/Vt) el cual se tomara como magnitud de la rapidez en la que giran las palas.

Tabla N°3 Datos experimentales DISTANCIA 72 62 52 42 32 22

VI.

VELOCIDAD DE VIENTO (m/s) 12.1 16.5 19.3 20.8 22.2 26.1

VOLTAJE (v) 2.10 2.66 2.83 3.00 3.04 3.13

VELOCIDAD TANGENCIAL (m/s) 8.09 11.97 12.07 16.29 17.29 16.08

Resultados y análisis

Tabla 4 Distancia vs velocidad del viento Distancia (cm) 72 cm 62 cm 52 cm 42 cm 32 cm 22 cm

Velocidad del viento (m/s) 12.1 m/s 16.5 m/s 19.3 m/s 20.8 m/s 22.2 m/s 26.1 m/s 11

VELOCIDAD ANGULAR (rad/s) 0.89 1.33 1.34 1.81 1.92 1.78

Velocidad del viento

30 25 20 15 10 5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Gráfico N°1. Distancia vs velocidad del viento.



Mediante el anemómetro pudimos obtener el siguiente punto de comparación de acuerdo a mayor distancia la velocidad del viento disminuye siendo la máxima distancia 72 cm con una velocidad de viento de 12.1 m/s así mismo a menor distancia con 22 cm la velocidad del viento aumenta con 26.1 m/s. Tabla N°5. Distancia vs voltaje

Distancia (cm) 72 cm 62 cm 52 cm 42 cm 32 cm 22 cm



Voltaje (v) 2.10 2. 66 2.83 3.00 3.04 3.13

Utilizando el voltímetro obtuvimos el mínimo y máximo voltaje según las distancias planteadas a mayor distancia el voltaje es menor siendo mayor distancia 72 cm teniendo como resultado un voltaje de 2.10 y a una menor distancia en este caso de 22 cm se obtuvo un mayor voltaje de 3.13.

12

Voltaje 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5

0 0

1

2

3

4

5

6

7

Gráfico N°2. Distancia vs voltaje

Tabla N°6. Velocidad vs voltaje

Velocidad del viento (m/s) 12.1 m/s 16.5 m/s 19.3 m/s 20.8 m/s 22.2 m/s 26.1 m/s 

Voltaje (v) 2.10 2.66 2.83 3.00 3.04 3.13

Mediante el anemómetro y voltímetro obtuvimos la velocidad del viento con su respectivo voltaje y concluimos que a menor velocidad de viento es menor voltaje teniendo como punto de referencia 12.1m/s y de voltaje 2.10 y mayor velocidad de viento es mayor voltaje esto se obtuvo teniendo como referencia 26.1m/s con un voltaje de 3.13

13

VOLTAJE

3.5

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0

5

10

15

20

Grafica N°1 Velocidad vs voltaje

Tabla N°7. Velocidad tangencial vs velocidad angular

VELOCIDAD TANGENCIAL (m/s) 8.09 11.97 12.07 16.29 17.29 16.08

VELOCIDAD ANGULAR (rad/s) 0.89 1.33 1.34 1.81 1.92 1.78

14

25

30

6.1. Cálculos para hallar las velocidades angulares:

 Fórmula:

𝑤=  Datos: r=9 Vt (1) = 8.09 Vt (2) = 11.97 Vt (3) = 12.07 Vt (4) = 16.29 Vt (5) = 17.29 Vt (1) = 16.08

𝑣 𝑟

 Remplazando los datos en la fórmula: 𝑤(1) = 𝑤(2) = 𝑤(3) = 𝑤(4) = 𝑤(5) = 𝑤(6) =



8.09

= 0.89

9 11.97

= 1.33

9 12.07 9 16.29 9 17.29

= 1.81 = 1.92

9 16.08 9

= 1.34

= 1.78

En la velocidad angular se halla dividiendo la velocidad tangencial entre el radio que forman las palas, analizando los datos podemos observar que la velocidad angular aumenta, conforme aumenta la velocidad tangencial y así podemos comprobar que estas velocidades son directamente proporcionales.

15

VII. 

Conclusiones: Se logró hallar los parámetros que intervienen en un generador eólico para obtener distintos voltajes



Se halló velocidad angular como magnitud de la rapidez con que giran las palas del generador eólico



Se evaluó la velocidad del viento dependiendo de la distancia en la que se coloca el soplador hacia el generador eólico



Se determinó los máximos y mínimos voltajes como función de la velocidad del viento y distancia en donde se encuentra el soplador del generador eólico

VIII.

Agradecimiento: Para el desarrollo de este proyecto se agradece al técnico “JUAN OLOYA CALDERON”, quien facilito la obtención de los materiales que se utilizaron para la creación del aerogenerador, así mismo por su asesoramiento en la elaboración del sistema (Generador eólico).

IX.

Referencias:

Acciona. (s.f.). Acciona. Obtenido de https://www.acciona.com/es/energias-renovables/energiaeolica/aerogeneradores/ Bembibre, V. (10 de Enero de 2009). DefinicionABC. Obtenido de https://www.definicionabc.com/?s=Distancia Bembibre, V. (2 de Enero de 2009). DefinicionABC. Obtenido de https://www.definicionabc.com/?s=Voltaje Formulas, U. (2018). Universo Formulas. Obtenido de https://www.universoformulas.com/fisica/cinematica/velocidad-tangencial/ García, J. N. (7 de Mayo de 2016). DefinicionABC. Obtenido de https://www.definicionabc.com/ciencia/parametro.php

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X.

Anexos

Anexo N°1. Materiales del aerogenerador eólico.

Anexo N°2. Instalación del sistema y equipos de para la toma de datos.

17

Anexo N°3. Toma de datos.

Anexo N°4. Toma de los parámetros a estudiar.

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