Diseñan sistema híbrido de energías renovables

Con el objetivo de contribuir a la lucha contra el cambio climático a partir de la generación de energías renovables alternativas, la empresa Augusto León Castillo, Servicio y Mantenimiento S.A. de C.V., con apoyo de la Universidad Anáhuac Mayab, desarrolló un sistema de alumbrado híbrido interconectado a un panel solar y a un aerogenerador de eje vertical para alumbrado público y doméstico, con el financiamiento del Programa de Estímulos a la Innovación (PEI) del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).

“En un futuro cercano, el mercado de las energías renovables va a incrementar y probablemente las energías alternativas, como la eólica y la fotovoltaica, van a desplazar la energía eléctrica que proviene de combustibles fósiles, y ese es uno de los motivos por los que decidimos adentrarnos a la fabricación de este producto”, señaló Eduardo Huerta Argáez, responsable técnico del proyecto y miembro de la empresa Augusto León Castillo, Servicio y Mantenimiento S.A. de C.V.

Rubén Domínguez Maldonado, investigador de la Universidad Anáhuac Mayab, señaló en entrevista para la Agencia Informativa Conacyt que a través del apoyo a los Grupos de Investigación Regionales Emergentes (GIRE) del Conacyt, la universidad tiene como parte de sus líneas principales apoyar proyectos enfocados en el desarrollo de energías renovables a nivel estatal, regional y nacional.

Rotor eólico de eje vertical para zonas urbanas

Como parte del proyecto, se diseñó y construyó una luminaria híbrida a base de energía eólica y solar para su uso en el alumbrado público. El sistema eólico estuvo formado por un aerogenerador vertical tipo Savonius helicoidal de diseño propio con una potencia máxima de 200 vatios a 200 revoluciones, mientras que el sistema solar estuvo formado por un arreglo en paralelo de paneles solares con un total de 120 vatios.

De acuerdo con Huerta Argáez, una de las cualidades del equipo es que permite generar energía eléctrica por medio de un rotor eólico de eje vertical. “El eje horizontal y el eje vertical son los dos tipos de tecnologías básicas en aerogeneradores. Los más conocidos a nivel internacional son los de eje horizontal, que se componen generalmente de tres aspas conectadas al eje que se conecta con un generador eléctrico”, indicó.

Una de las desventajas de estos sistemas es que requieren colocarse a alturas muy elevadas (hasta 30 metros) y las zonas donde pueden instalarse son restringidas debido al peligro que implicaría que alguna pieza del equipo cayera sobre personas, casas o automóviles. “A diferencia de estos, el prototipo que nosotros proponemos es de tipo vertical y puede ser instalado a baja altura, por ejemplo, a la altura de una casa (entre cuatro y ocho metros)”, expresó.

De acuerdo con Domínguez Maldonado, otra ventaja radica en que los aerogeneradores se pueden operar a partir de vientos de dos metros por segundo, lo que equivale hasta ocho kilómetros por hora para la generación de energía.

A través de la Universidad Anáhuac Mayab, el prototipo se probó en el Puerto de Progreso para monitorear y evaluar técnicamente el potencial eólico y de radiación solar que puede captar esta tecnología. “En Progreso tenemos vientos que van desde los dos kilómetros en adelante y se tienen ráfagas de viento que tienen un gran potencial de energía que puede ser aprovechado, aunado a la radiación solar, pues el proyecto busca manejar dos tipos de tecnología para colectar energía y transformarla en energía eléctrica que sea útil para uso de las personas”, apuntó Domínguez Maldonado.

Diseño geométrico helicoidal para mejorar eficiencias

El primer paso del proyecto consistió en desarrollar una geometría eficiente y de fácil fabricación para su posterior manufactura. Para esto, se utilizó un software en el que se evaluaron diversas formas geométricas por medio de simulación numérica por el método de elemento finito (FEM, por sus siglas en inglés) hasta encontrar la geometría más adecuada.

El primer prototipo de rotor midió dos metros por 80 centímetros y el segundo se elaboró con la mitad del tamaño del primero. Este último fue utilizado para elaborar el sistema híbrido eólico-solar para alimentar una luminaria de alumbrado público y actualmente se desarrolla para la producción de energía eléctrica de uso doméstico.

“El segundo prototipo del rotor lo diseñamos con una geometría helicoidal y el giro del rotor es unidireccional, es decir, puede venir de diferentes direcciones el viento y siempre va a girar en una sola dirección, sin perder velocidad”, expresó Huerta Argáez.

La velocidad del viento para el inicio de giro es uno de los parámetros básicos entre los equipos comerciales de aerogeneradores y una de las características principales del rotor diseñado en el proyecto es la baja velocidad de viento que requiere para que funcione. “Nosotros medimos que este comienza a girar a partir de 1.6 metros por segundo; no necesariamente a esa velocidad comienza a producir energía eléctrica pero sí existe la inercia del aerogenerador, que es algo básico en los sistemas porque mientras mayor sea la velocidad del viento que requiere la inercia del rotor, menos energía eléctrica genera”, apuntó.

Piezas modulares para mejorar la manufactura

Posteriormente se mejoró el proceso de manufactura para fabricar el rotor de manera más rápida con un manejo eficiente de las materias primas. Como resultado del proyecto se generaron varias solicitudes de patentes, desde el diseño geométrico hasta el proceso de manufactura.

“Cuando los componentes y el rotor son de dimensiones grandes es complicado armarlo y subirlo a los techos, por lo que nosotros proponemos una nueva forma de ensamblarlo a través de piezas modulares que nos permiten tener un equipo escalable, es decir, que puede hacer uno con la mitad de la hélice de rotación o colocar dos hélices dentro de un mismo eje para aumentar la potencia”, explicó Domínguez Maldonado.

El material utilizado en la fabricación del molde de los álabes del rotor eólico fue fibra de vidrio y se estudiaron sus propiedades mecánicas para determinar el número de capas necesarias para obtener el peso y la velocidad necesarios. “Si lo hiciéramos de lámina, sus piezas se degradarían rápido, y si lo hiciéramos de polímero, sería afectado por los rayos UV (ultravioletas) hasta volverse quebradizo, por lo cual elegimos la fibra de vidrio como material”, indicó Domínguez Maldonado.

Sistema híbrido de viento y luz solar

El sistema de almacenamiento de energía está compuesto por dos baterías de ciclo profundo. En el proyecto se realizó un diseño integral de los accesorios de la luminaria, tales como la base para el ensamble de los paneles solares, del poste y la base del aerogenerador para su ensamble al mismo. “Evaluamos todos los componentes auxiliares para hacer la conversión de energía eólica a mecánica y de mecánica a eléctrica, desde la selección del generador eléctrico hasta el controlador de carga y el convertidor de corriente alterna”, apuntó Domínguez Maldonado.

La recarga de las baterías es a través del sistema híbrido eólica y la fotovoltaica se realiza a través de un controlador de carga híbrido que envía la energía al banco de baterías destinado al uso de las luminarias del alumbrado público. Para el encendido de la lámpara, se diseñó un dispositivo de control encendido/apagado que permite controlar la potencia máxima para hacer más eficiente la luminaria, a través de un circuito que regula el horario de encendido y la intensidad de la lámpara.

El resultado del proyecto fue la fabricación del rotor eólico, pero en una siguiente etapa se pretende fabricar también un generador eléctrico que sea eficiente ante las condiciones climáticas de Yucatán. De acuerdo con los desarrolladores, este nuevo sistema permite un alumbrado eficiente con una autonomía de hasta cuatro noches sin recarga del sistema de almacenamiento de energía, lo que permitiría un ahorro en las finanzas de los municipios al ser implementado en sustitución de las luminarias convencionales.

Fuente: CONACYT.