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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL

Diseño preliminar de un sistema eólico para bombeo de agua en

zonas rurales aisladas

Autor: Jaime Coloma López

Director: Enrique Gómez de las Heras Carbonell

Madrid

Junio 2012

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

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1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. ____Jaime Coloma López_________ , como __alumno____ de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra Diseño preliminar de un sistema eólico para bombeo de agua en zonas rurales aisladas__________________________1, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

1 Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro trabajo que deba ser objeto de evaluación académica



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(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet.2

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio.

2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los siguientes términos:

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional

3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.



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c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para la obtención del ISBN.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más



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allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras.

- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a …31.. de …mayo…….. de …2012…….

ACEPTA

Fdo………Jaime Coloma López….



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Proyecto realizado por el alumno/a:

Jaime Coloma López

Fdo.: …………………… Fecha: 31…/ …5…/ …2012…

Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial

EL DIRECTOR DEL PROYECTO

Enrique Gómez de las Heras Carbonell

Fdo.: …………………… Fecha: 31…/ …5…/ …2012…

Vº Bº del Coordinador de Proyectos

José Ignacio Linares Hurtado

Fdo.: …………………… Fecha: …31…/ …5…/ …2012…



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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL

Diseño preliminar de un sistema eólico para bombeo de agua en

zonas rurales aisladas

Autor: Jaime Coloma López

Director: Enrique Gómez de las Heras Carbonell

Madrid

Junio 2012



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Diseño preliminar de un sistema eólico para bombeo de agua en zonas rurales aisladas

El abastecimiento de agua es una necesidad básica del ser humano. Esta necesidad, en los países desarrollados está sobradamente cubierta; pero no es de la misma forma en los países en vías de desarrollo o incluso en los países del tercer mundo.

Por este motivo, se busca un abastecimiento sostenible para las comunidades rurales aisladas, sitios donde no es posible llevar una canalización de agua. A través de la ONG Energía sin Fronteras, surgió la posibilidad de llevar a cabo este proyecto en una aldea de Kenia, Nyumbani.

De esta forma, en Nyumbani se procedió a medir los parámetros de viento reales, y una vez hecho esto, su análisis. Con éste, y las necesidades de agua existentes, se procedió a los cálculos tanto de los principales parámetros del aerogenerador (rotor, sistema de transmisión, bomba y torre) como un análisis económico y medioambiental.

El resultado es un primer diseño de un aerogenerador para la aldea, que puede ser utilizado en el futuro como base para posteriores desarrollos para la aldea.

Preliminary design of a wind system for pumping water in remote rural areas

The water supply is a basic human need. This need, in developed countries is widely covered, but not in the same way in developing countries or even in third world countries.



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For this reason, this project seeks a sustainable water supply to remote rural communities, places where you cannot carry a water pipeline. Through the NGO Energía sin Fronteras, it came the possibility of carrying out this project in a small village in Kenya, named Nyumbani.

First, in Nyumbani the NGO proceeded to measure the actual wind parameters, and (once this was done) calculating the water needs of the village, the project continues with the calculations of the main parameters of the turbine (rotor, transmission system, pump and tower) as well as an economic and environmental analysis.

The result is a preliminary design of a wind turbine for the village, which can be used in future as a basis for further developments to the village.



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DOCUMENTO 1 MEMORIA

Índice de la memoria

Capítulo 1 Memoria

1.1 Introducción, motivación objetivos y metodología 1.1.1 Introducción 1.1.2 Motivación del proyecto 1.1.3 Objetivos perseguidos 1.1.4 Metodología empleada

1.2 Requisitos de diseño

1.2.1 Definición de un escenario tipo 1.2.2 Aplicaciones de bombeo 1.2.3 Estado del arte 1.2.4 Condicionantes técnicos, sociales, medioambientales

y económicos

1.3 El aerogenerador 1.3.1 Análisis de viento 1.3.2 El Rotor 1.3.3 Bomba 1.3.4 Transmisión 1.3.5 Torre

Capítulo 2 Cálculos 2.1 Análisis de viento 2.2 Rotor 2.3 Bomba 2.4 Transmisión 2.5 Torre Capítulo 3 Estudio económico



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Capítulo 4 Impacto ambiental Capítulo 5 Futuros desarrollos Capítulo 6 Bibliografía



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Capítulo 1 MEMORIA

1.1 Introducción, motivación objetivos y metodología

Este capítulo, el Capítulo 1 de la Memoria, será destinado al análisis, estudio y comprensión de la necesidad de realizar este proyecto. Este proyecto tiene su origen en la necesidad de abastecimiento de agua, necesaria para la vida y el desarrollo humano. A pesar de que en los países del primer mundo, este abastecimiento pueda ser algo cotidiano a lo que apenas se le presta importancia, ya que prácticamente toda la población tiene acceso a canalizaciones de agua, esto no es tan frecuente en países en vías de desarrollo o directamente, en los no desarrollados. Por este motivo, la ONG Energía sin Fronteras, ESF, planteó la posibilidad de realizar un estudio de esta necesidad y búsqueda de una solución a través de una bomba eólica, y de ahí surgió este Proyecto.

En los países en vías de desarrollo, hay muchas probabilidades de poder tener acceso a agua corriente en las ciudades o en la capital de país. El problema surge cuando la población que necesita agua se encuentra aislada, lejos de los principales núcleos urbanos, que pudieran servir de soporte. En estas zonas por norma general, cualquier tarea que se lleve a cabo requiere más recursos, ya que supone grandes desplazamientos de personas y material. Unido a todo esto anterior, si la comunidad que vive en la localidad resulta que dispone de pocos recursos, encuentra con más dificultad solución a sus problemas. Éste es un escenario llamado “Comunidad rural aislada”, que, como se ha dicho anteriormente, supone una disponibilidad escasa de recursos y un acceso difícil hasta el enclave.



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De esta forma, nace este proyecto que a continuación se explicará. Se buscará una comunidad que necesite un proyecto semejante, de tal modo que se hará lo más realista posible para poder tener una posterior aplicación, y se tratará de analizar de qué recursos se dispone (régimen de viento y disponibilidad de agua) para, a continuación, sabiendo qué consumo se precisa, diseñar una bomba eólica capaz de aprovisionar de agua a la comunidad en una zona donde llevar una canalización sería completamente inviable.

1.1.1 Introducción a la energía eólica

La energía eólica surge a raíz del aprovechamiento del ser humano del aire, extrayendo su energía para diversos usos, es decir, es la energía formada por las corrientes de aire que el ser humano es capaz de transformar para su utilidad.

Ésta energía es, junto con la térmica, una de las fuentes de energía más antiguas conocidas por el hombre. Los molinos de viento existen desde la antigüedad; Persia, Egipto o China disponían de molinos de viento muchos siglos antes de J.C. Por ejemplo, Hammurab I, rey de Babilonia diecisiete siglos antes de Jesucristo, utilizó molinos de viento para regar campos de cultivo en Mesopotamia, además de moler grano y trigo. Se trataba de máquinas de eje vertical, cuyos componentes estaban fabricados con maderas y telas. El movimiento era comunicado desde el eje vertical directamente a una rueda de moler. De China hay referencias a un molino hecho a base de telas y madera también, con un gran armazón, llamado Panémora, que era utilizado para el riego. El rendimiento de estos molinos, como se supondrá, no era muy alto; los materiales con los que se fabricaron eran maderas y telas; pero gracias a estos primeros diseños el ser humano se fue haciendo preguntas sobre cómo seguir aprovechando el potencial eólico para diversas aplicaciones. Las primeras aplicaciones que tuvo la energía eólica fueron tanto los molinos como la navegación.



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Los molinos de viento fueron utilizados en toda Europa en la Edad Media, si bien su origen estuvo en Grecia, Francia e Italia. Ciertos autores afirman que su introducción en nuestro continente se debe a los Cruzados, que trajeron influencias de Oriente, ya que al recorrer tantos kilómetros desde sus países de origen hasta Tierra Santa pudieron ir conociendo la tecnología de cada lugar, empapándose de ella y luego importándola de vuelta a sus países. Otros autores afirman que en Europa se desarrolló una tecnología propia, sin influencias asiáticas, ya que en Europa los molinos se desarrollaron fundamentalmente de eje horizontal, mientras que la tecnología asiática desarrollaba molinos de eje vertical.

De una u otra forma, lo cierto es que a medida que se iban desarrollando los molinos, iba creciendo en importancia su utilización en diversas aplicaciones. Como ejemplo se pueden apreciar los molinos castellanos, utilizados para la molienda, y los molinos holandeses, utilizados no sólo para moler el grano, como los castellanos, sino también para desecar grandes extensiones de superficie en Holanda, ganando así terreno al mar; todos ellos de eje horizontal. Para hacerse una idea de la importancia de los molinos en estas aplicaciones, cabe destacar el siguiente dato: en Holanda, a comienzos del siglo XIX, había en funcionamiento cerca de veinte mil molinos, con una potencia de unos veinte kilovatios cada uno.

En Estados Unidos, en el año 1724 se proyectó un molino de ocho palas que movía una bomba de pistón, y en 1883 Steward Perry diseñó el pequeño multipala americano, famoso a nivel mundial. Este molino, de tres metros de diámetro, ha sido el más vendido en la historia, con más de seis millones de unidades fabricadas, existiendo varios miles que a día de hoy siguen en funcionamiento. Este hecho se debe a los diseños tan robustos de la época. Se buscaba un molino que soportase fuertes cargas, y se utilizaron materiales excesivamente pesados y resistentes para el diseño; se sobredimensionó de tal forma que a día de hoy muchos molinos siguen en pie funcionando por este motivo.



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La teoría de la aerodinámica fue desarrollada a partir del siglo XX, permitiendo analizar y comprender la naturaleza y el comportamiento del viento, mejorando los diseños existentes hasta el momento y abriendo así la puerta a la aeronáutica. A pesar de los esfuerzos realizados en esta época por mejorar los diseños existentes, la dificultad para almacenar esta energía, así como la irregularidad de los vientos, hicieron que poco a poco este tipo de aplicaciones fueran declinando hasta la Primera Guerra Mundial.

Los combustibles fósiles, especialmente el petróleo, empezaron a imponerse como principal fuente de energía, a pesar de provocar una clara dependencia de los países productores de petróleo. Esto es debido a su gran poder calorífico y a la necesidad en esa época de un abastecimiento constante de energía; ya que la situación de emergencia requiere unas condiciones de seguridad y fiabilidad que la energía eólica no era capaz de proporcionar en esa época.

En el periodo entre la Primera Guerra Mundial y la Segunda, se continuó desarrollando esta tecnología, e incluso en la época posterior a la Segunda, debido a la escasez y dependencia de los países europeos, éstos continuaron con mayor ahínco si cabe en el desarrollo de esta tecnología, llegando incluso a diseñar planes energéticos nacionales basados en la energía eólica, pero que terminaron fracasando alrededor de la década de los sesenta debido a que no se podía alcanzar un precio tan competitivo como el de los combustibles fósiles, especialmente el petróleo.

A finales de la década de los ochenta, y principios de los noventa, se volvió a investigar y estudiar este tipo de fuente de energía como una alternativa para la no dependencia del petróleo, cuyo precio subió de forma acusada. Desde entonces se sigue estudiando y optimizando la tecnología eólica para continuar reduciendo costes y aumentando la eficiencia, a través de turbinas cada vez más potentes.



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Figura 1. Evolución del precio del petróleo en dólares [1]

1.1.2 Motivación del proyecto

En primer lugar, cabe destacar que este proyecto se realiza en cooperación con la ONG Energía sin Fronteras, y el diseño final podrá ser utilizado como modelo para su posible construcción. Ha sido ésta ONG quien ha propuesto el desarrollo de este proyecto, para comenzar estudios de abastecimiento de agua mediante la energía eólica, de tal forma que posteriores desarrollos podrán tener su punto de partida, o al menos ciertas premisas, en este proyecto.



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Este proyecto trata del diseño preliminar de un sistema eólico de bombeo de agua, en zonas rurales aisladas. Una zona rural aislada, por definición, es un lugar donde la comunidad que ahí vive tiene dificultades: técnicas, económicas, o logísticas, por ejemplo. Esto implica que la tecnología que se emplee ha de ser una tecnología adecuada, por lo que ahí surge el concepto de tecnología apropiada, que luego se desarrollará.

La zona rural elegida para el emplazamiento de la bomba de agua eólica se trata de una pequeña aldea en Kenia, situada a unos ciento veinte kilómetros de Nairobi, capital del país. Su nombre es Nyumbani, que en castellano significa Hogar. La aldea de Nyumbani es especial, y por eso el diseño preliminar del aerogenerador se ha hecho con datos procedentes de este emplazamiento. Nyumbani es una eco-aldea donde viven, fundamentalmente, niños, jóvenes y ancianos. Como se ha mencionado anteriormente, Nyumbani, que significa Hogar, pretende serlo para las personas que ahí viven. Se trata de gente que, fundamentalmente, ha tenido problemas y ha sufrido el azote del SIDA en su vida. Niños huérfanos, cuyos padres y/o han muerto, ancianos que no tienen a dónde ir; en definitiva, gente que no tenía un futuro.

En su página web, http://www.nyumbani.org/, se puede conocer de primera mano la realidad de la aldea así como ver fotos ilustrativas de cómo se desarrolla la comunidad; y apreciar el significado de Comunidad rural aislada.

La aldea

En esta aldea, se pretende darles un futuro, una esperanza a los habitantes de la comunidad. Los ancianos aportan su experiencia, y pueden aconsejar a los jóvenes, ejerciendo incluso de tutores suyos. Los jóvenes, a su vez, aprenden de los mayores, se enriquecen de su sabiduría y sus conocimientos, y aportan su energía y trabajo en bien de

http://www.nyumbani.org/



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la comunidad. Unos a otros se ayudan, aportando lo que mejor sepan hacer, tanto para el progreso individual como colectivo.

Figura 2. Escuela de carpintería de Nyumbani [2]

La aldea se ha pensado de tal forma que se agrupan a varios niños y jóvenes juntos, formando una célula o grupo; y la unión de varias células o grupos de estas características crean la comunidad. Cada célula tiene a su disposición, a parte de una casa, un huerto en el que poder cultivar alimentos, así como algunos animales (vacas y/o cabras). De esta forma, los habitantes pueden ser autosuficientes, incluso llegando a poder vender el excedente en el mercado, obteniendo así, ganancias.



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La aldea dispone también de un centro comunitario, que puede hacer las veces de escuela y de centro de reuniones. A su vez, dispone de casas para invitados, e incluso un servicio de policía. Todo esto intenta estimular la economía local, así como el desarrollo de la comunidad y el avance de la tecnología. No se contrata a personas de fuera de la aldea (o aldeas vecinas) para trabajos dentro de la comunidad, a menos que sea indispensable. Se intenta que todas las actividades sean realizadas por gente local, fomentando así el sentimiento de implicación en la aldea, en el proyecto, mejorando su autoestima y favoreciendo a la vez la economía local. Así se realiza una labor de sentimiento de grupo, de trabajo en equipo, y una motivación para los habitantes. De esta forma, poco a poco todos aprender un oficio, y el nivel cultural de la población aumenta. Además, todos tienen un trabajo digno, así como un hogar. Ésta es la forma en la que se intenta dar un futuro a los habitantes. Todo este proyecto cuenta con el trabajo y esfuerzo de varias Organizaciones No Gubernamentales, que hacen esto posible, como ESF, O Amigos de Nyumbani, por ejemplo.

En el marco de estas actuaciones, y basado en los Derechos Humanos, surge la necesidad de aprovisionar a la aldea de agua potable. De ahí surge la motivación o necesidad del proyecto, de la necesidad de abastecimiento de agua de un modo sostenible, sencillo y robusto. Es cierto que existen sistemas de abastecimiento de agua tales como la recogida y almacenamiento de agua de lluvia, pero este tipo de sistemas se queda corto por dos motivos principales: el primero de ellos es que no se puede hacer depender a toda una aldea de la estacionalidad de la lluvia, y en segundo lugar por problemas de salud. La malaria es un grave problema en África, y Kenia es un país que también está azotado por esta enfermedad. Ésta se contagia principalmente por mosquitos, y éstos crían sus huevos y larvas en aguas estancadas. Por ello es muy peligroso tener, cerca de una aldea, una gran fuente de agua estancada todo el año, lo que implicaría unos elevados costes para mantener el agua libre de parásitos e insectos.

Por todo esto, surge la necesidad de este proyecto. Aunque en la mentalidad del primer mundo pueda parecer extraño, en el tercer mundo se sigue enviando, en las zonas más pobres, a los niños y mujeres a recoger agua de la fuente más cercana (río, pozo…). Esto



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es incompatible con la filosofía de la aldea, ya que pretende ser un hogar y un lugar donde las personas puedan crecer en todos los sentidos.

Si se envía a niños a por agua al río, es imposible que éstos se puedan formar en la escuela. A su vez, las mujeres, que también suelen ser las encargadas de ir a por el agua con grandes tinajas o cubos, tampoco pueden realizar otras actividades, como cuidar de su casa, de sus hijos, o incluso trabajar fuera de casa. Con esta bomba eólica se pretende liberar de esta carga a este colectivo de personas, consiguiendo múltiples beneficios.

Por un lado, los niños y jóvenes no han de ir a por el agua. Esto significa que pueden ir a la escuela, donde mejorarán su formación, aprenderán y estudiarán. Podrán a su vez realizar labores de siembra, o ganadería, los que estén suficientemente desarrollados para ello. A parte de esto, en su desarrollo físico no habrá ningún obstáculo; ya que no serán obligados esos metabolismos en desarrollo a tener que cargar grandes pesos. Por otro lado, la mujer no tendrá que ir a por el agua; podrá dedicarse a su casa, a sus hijos, a ayudar a su marido, e incluso a crear pequeños negocios locales, con la ayuda de microcréditos. Se potenciará el papel de la mujer, que en muchos países de África sigue estando infravalorado, para darle la importancia y el papel protagonista que merece.



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Figura 3. Colegio de Nyumbani [2]

Hasta este punto, se podría pensar que el diseño del molino se realizará con las técnicas, materiales y tecnología más novedosos. He aquí el concepto de tecnología apropiada. Nyumbani es, como se ha mencionado y como se puede apreciar en ambas fotografías anteriores de la aldea, una zona rural aislada, en Kenia, África.



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Concepto de tecnología apropiada

Desarrollo y tecnología son términos asociados al avance, desarrollo y progreso, y es lo que distingue las edades en la historia. Los instrumentos de caza son característicos del paleolítico, con la aparición de la agricultura nace el neolítico, y las edades del cobre y bronce se definen por su tecnología metalúrgica. La tecnología ha sido, a lo largo de la historia, un factor fundamental en el desarrollo y primacía de los imperios; mejorando las máquinas de guerra, los medios de comunicación, los estudios de astronomía, álgebra, cálculo.

El desarrollo de las comunidades rurales aisladas, supone un cambio tecnológico, que garantice el bienestar y pueda garantizar las necesidades básicas de una comunidad, ayudando a su crecimiento y mejora, siendo respetuosos con su medio natural.

La disyuntiva que se plantea por un lado con la tecnología y los avances de la ciencia, y por otro lado, con las comunidades rurales aisladas, con sus características específicas, requiere abordar el problema desde un punto de vista multidisciplinar, que sea capaz de tener en cuenta todos los puntos de vista del desarrollo humano. Se trata en definitiva de un modelo de desarrollo y convivencia con el entorno socioeconómico y medioambiental, conjugándolo con la identidad y características propias y su preservación, en la búsqueda de una sociedad global fundamentada en el conocimiento.

No hay una definición unitaria de tecnología apropiada, pero sí hay elementos comunes en todas las definiciones. Así se habla de que la tecnología es aquella que responde adecuadamente a las necesidades sociales y ecológicas de las personas, que es descentralizada y a pequeña escala, empleando fuentes renovables de energía con bajo coste, liberando a las personas de cargas alienantes



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La relación entre tecnología y desarrollo humano es mutua; por ello en la siguiente figura se sugiere el tipo de relaciones que, según el PNUD (Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo) existe entre cambio tecnológico y desarrollo de las capacidades humanas.

Figura 4. Relación entre desarrollo humano y tecnología [3]



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Algunas tecnologías elevan directamente las capacidades humanas, pero sobre el desarrollo humano también influye indirectamente la tecnología, al producir ésta crecimiento económico y aumento de la productividad; y esto se puede invertir tanto en mejorar ámbitos tan importantes como la educación o la sanidad, como en invertir en nueva y mejor tecnología

De todo lo anterior, se obtiene una conclusión clara: es preciso adecuar la tecnología al ámbito donde se va a desarrollar, es decir, a la situación y características de las comunidades rurales aisladas.

En este caso, se plantea el caso del bombeo de agua. Es preciso abastecer a una comunidad de agua potable, necesaria para cualquier ser humano. Con el agua el ser humano cocina sus alimentos, se limpia, mantiene higiénicamente su entorno, y también es capaz de regar campos de cultivo y abrevar a sus bestias. Por todas estas razones, el abastecimiento de agua es una necesidad básica a cualquier comunidad.

Como se ha planteado, en este punto surge el concepto de tecnología apropiada; el proyecto se desarrollará en Kenia, así que: ¿qué tecnología se debe aplicar? Por un lado, no se puede diseñar y construir una bomba de última generación, ya que el traslado sería excesivamente caro, y los costes de mantenimiento supondrían demasiados recursos, siendo difícil poder amortizar la inversión. Por otro lado, tampoco se puede instalar allí una tecnología arcaica o primitiva, que no ofrezca garantía de funcionamiento y tenga problemas de funcionamiento.

Kenia es un país con una gran cantidad de recurso eólico, así que sería conveniente poder aprovecharlo para, utilizando esta fuente de energía renovable que garantiza el desarrollo



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medioambiental de la comunidad, extraer el agua citada anteriormente y suministrársela a la comunidad. Hay ejemplos de medios de obtención de energía eléctrica a través del caudal del río (por ejemplo la turbina Garman, desarrollada por el ingeniero Peter Garman), para luego instalar una bomba eléctrica y extraer el agua, pero, siguiendo con el concepto de tecnología apropiada, la tecnología empleada en esta aplicación no debe ser demasiado compleja, ya que cuanto más sencilla sea la tecnología, más fácil será garantizar su funcionamiento y mantenimiento a lo largo de su vida útil.

Figura 5. Turbina de río [4]

En el caso de la aldea de Nyumbani, se ha procedido a medir las condiciones climatológicas para la instalación de un molino eólico. Esto es interesante, ya que se aprovecha un recurso local gratuito, como es el aire, para obtener beneficios de él. No se podría ajustar más el concepto de tecnología apropiada, ya que lo que se va a hacer es adaptar la tecnología a los recursos locales, de una forma sostenible y económica,



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analizando por un lado el recurso hídrico y eólico disponible, y por otro lado las necesidades que se debe cubrir.

Dado que se trata de una eco-aldea, la idea de una bomba accionada por hidrocarburos queda completamente descartada; no sólo contamina sino que hace a la aldea dependiente completamente no sólo del precio del combustible, sino también de su distribución hasta la comunidad. Por ello, la solución ha de dotar a la aldea de autonomía, y a la vez ser respetuosa con el medio.

Además, en este caso, ha de favorecer la prosperidad local, es decir, el empleo de personas y recursos de la aldea, o aldeas vecinas, descartándose también la contratación de trabajadores de otros lados o la compra del molino a una empresa dedica a la fabricación de este tipo de máquinas, apoyado en un estudio económico objetivo que garantice la sostenibilidad y rentabilidad de esta opción.

Por todas estas razones, el concepto de tecnología apropiada nos conduce a la idea de un molino para bombear agua. Se trata de una solución respetuosa con el medio ambiente, ya que no contamina ni el aire con gases nocivos ni el agua con residuos; es una solución que da empleo a la aldea, y favorece su avance tecnológico y formativo, ya que se ha de formar a gente capaz de construirla; favorece por ello también a la economía local, ya que la fabricación de la máquina se concederá a los talleres y artesanos vecinos, por lo que su pequeña industria se verá beneficiada; y favorece obviamente al total de la población, que podrá beber agua sin necesidad de tener que desplazarse hasta el río a por ella, a su vez dispondrá de agua para su higiene, la limpieza de casas e instalaciones, preparación de alimentos, cultivo de los campos, y abastecimiento de bebida y comida para los animales domésticos criados (vacas y cabras).



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1.1.3 Objetivos

Como se ha comentado, este proyecto trata de un diseño preliminar de una bomba de agua eólica en Nyumbani. Se pretende que sea un primer análisis de este tipo de solución, de tal forma que los objetivos no serán sólo cubrir las necesidades de agua sino proporcionar unos primeros cálculos de la solución propuesta. Por ello, los objetivos que persigue el proyecto son múltiples:

1. Análisis del régimen de vientos de la zona: Para cualquier diseño de un

aerogenerador, es necesario caracterizar el viento y conocerlo, para poder realizar un diseño óptimo del molino. Por ello, en este proyecto se tratará de analizar los daos de viento reales procedentes de una estación de medición situada en Nyumbani, que mide el viento a una altura de 10 metros sobre el suelo. De esta forma se tendrá un primer análisis del viento que sopla en Nyumbani, y podrá ser ampliado en el futuro siguiendo las senda abierta por este Proyecto.

2. Análisis de los recursos hídricos de la zona: A parte del viento, también son necesarios los datos del agua disponible para poder conocer cuánta agua se dispone para el bombeo a la aldea. Aunque no hay datos empíricos sobre esto, se realizará un estudio de la orografía de la zona, así como un análisis del nivel freático de Kenia en general y de Nyumbani en particular. Estos estudios también podrán ser utilizados para futuras aplicaciones en la comunidad.

3. Diseño de un aerogenerador. Este proyecto trata de un estudio preliminar, de

tal forma que en definitiva se trata de hacer un primer diseño de las partes más importantes del aerogenerador; diseño del rotor, del pistón, del sistema de transmisión y de la estructura. El rotor se diseñará a partir de los vientos



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analizados previamente, y en base a ello y a la necesidad de agua de hará el primer diseño preliminar del sistema hidráulico; la bomba, en función de los recursos anteriores. El siguiente paso será el diseño de la transmisión, y por último un sistema (torre) que soporte toda la estructura.

4. Estudio de un impacto ambiental, para determinar si su instalación será

beneficiosa o si, por el contrario, traerá más problemas de los que ya existen en la comunidad. Kenia es un país con naturaleza salvaje, fauna y flora crecen en todos lados, y existen cantidad de animales salvajes. Es un país conocido por sus recursos naturales, como por ejemplo el famoso parque natural de Masai Mara. Nyumbani, una aldea con mala comunicación, no es una excepción, y en torno a ella hay cantidad de animales salvajes que tienen su ecosistema en la zona, de tal forma que no se debe alterar el equilibrio natural existente. Tampoco la flora, ya que también forma parte del ecosistema local, y una alteración en la flora provocaría un desequilibrio del orden existente, alterando la naturaleza y el ecosistema de la zona.

5. Un estudio económico también es interesante, ya que como se ha mencionado, la comunidad no dispone de grandes recursos. Será necesario realizar una comparación entre el molino y otros sistemas sustitutivos y analizar qué impacto económico tendrían en la comunidad.

1.1.4 Metodología

Para poder llevar a cabo el proyecto, los pasos que se han de seguir son los siguientes:



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En primer lugar, medición de los datos de Nyumbani en una estación meteorológica, de 10 metros de altura.

Posteriormente, se analizarán estos datos para poder aproximarlos por una distribución Weibull, y se analizarán los datos de otras estaciones cercanas para realizar comparaciones.

En un paso siguiente, se estudiarán los niveles freáticos, para determinar una profundidad a partir de la cual se pueda encontrar agua.

A continuación, con todos estos datos, se procederá al diseño preliminar de las principales partes del aerogenerador, esto es:

a) Palas b) Bomba c) Sistema de transmisión

d) Torre del aerogenerador.

1.2 Requisitos de diseño

Este proyecto tiene su marco en una aldea rural aislada existente; por lo tanto, los parámetros de diseño empleados serán los reales, sustituyéndose por otros valores



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aproximados en los casos en los que no se disponga de datos suficientes. Un requisito de diseño que estará implícito en todos los requisitos siguientes será, obviamente, el de la utilización de la tecnología apropiada. Sería completamente inviable instalar un aerogenerador de última generación, se deberá analizar qué tipo de tecnología es la más apropiada y tratar de aplicarla en el proyecto.

1.2.1 Definición de un escenario tipo

Para la definición de un escenario tipo, se analizan los recursos disponibles para caracterizar la situación en la que se va a trabajar. Para el análisis de las condiciones de viento, se utilizaron los datos proporcionados por una estación meteorológica situada en Nyumbani, que proporcionó datos de varios meses. Una vez hecho esto, con la ayuda de bases de datos de diferentes estaciones próximas, se continuó con la caracterización del viento en la aldea, por aproximación.

Para el recurso hídrico, ya que en Nyumbani no hay ningún sistema de medición del nivel freático, se buscaron mapas de profundidades del nivel freático en África, y más concretamente en Kenia para poder realizar esta parte. De esta forma, ya se tienen caracterizados los recursos de los que se dispone para llevar a cabo el proyecto.

De otro lado, con una estimación de lo que necesita una persona para beber, así como el ganado y los cultivos serán necesarios para conocer cuánta cantidad se debe bombear.



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1.2.2 Aplicaciones de bombeo

En la aldea de Nyumbani, se precisa del molino para el aprovisionamiento del agua. Esto es así ya que, como se ha mencionado, en la eco-aldea no se dispone de agua corriente. En Kenia se dan alternativamente estaciones húmedas, de lluvias, y estaciones secas, con apenas precipitaciones; variando así la cantidad disponible regularmente de agua en el caso de no tener abastecimiento de agua corriente. Esto genera inseguridad, ya que la incertidumbre de la duración de la estación seca es aleatoria, así como la cantidad de agua que cae en la época de lluvias en Kenia. Todo ello provoca inestabilidad, así como la imposibilidad de establecer una población con garantías de crecimiento y futuro, ya que no se puede construir una ciudad sobre la ignorancia del agua disponible.

Por ello, se precisa del bombeo de agua, distinguiendo varios fines:

Abastecimiento de agua corriente para la población: Para que continúe aumentando la población sin riesgo de desabastecimiento de agua, se precisa de la instalación de un molino. Nyumbani está alejada de la capital, Nairobi, y sólo tiene cerca dos carreteras que le dan cierta accesibilidad, pero no está cerca de algún núcleo importante que le dé soporte, de tal forma que precisan de un sistema eficaz y duradero. Si se consigue esto, la población de Nyumbani, fundamentalmente formada por jóvenes y ancianos, podrá seguir acogiendo gente, de tal forma que la aldea crezca y sea capaz de prosperar.

Abastecimiento de agua para los cultivos: Otro gran objetivo a conseguir. En las últimas décadas, el llamado “Cuerno de África” ha sufrido varias épocas de sequía que impiden el crecimiento de plantas y cultivo de campos. Un abastecimiento continuado de agua en la época de siembra y crecimiento de los cultivos permitiría no depender de la climatología



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para el cultivo de alimentos, de tal forma que la población e Nyumbani podrá desarrollarse de una mejor forma, con un suministro de hortalizas y vegetales continuado, ya que ellos mismos serán capaces de realizarlo.

Ésta estación seca, unida a las frecuentes guerrillas y racias de esta zona de África (sobre todo de su vecino del noroeste, Somalia), hace que en los últimos años muchas poblaciones no hayan podido desarrollar una agricultura propia, ya que frecuentemente los campos han sido arrasados, eliminando toda posibilidad de desarrollo de la agricultura.

Abastecimiento de agua para la ganadería: Al igual que en el caso de los cultivos, la poca seguridad de la disponibilidad de agua ha hecho que Nyumbani no haya podido desarrollar un sector ganadero del que abastecerse. El ganado necesita no sólo agua para beber, sino pasto para alimentarse, por lo que el ganado puede verse claramente dependiente del agua de la zona. Actualmente en Nyumbani hay unas pocas cabezas de ganado, vacas y cabras, pero con la instalación del aerogenerador podrá ampliarse el número sin miedo a la muerte de las reses por deshidratación, ya que se abastecerá regularmente al ganado.

1.2.3 Estado del arte

Fundamentalmente, pueden distinguirse dos tipos de usos de molinos para bombear agua; riego o abastecimiento de agua, lo que da lugar a dos tipos diferentes de categorías de aerogeneradores, ya que las especificaciones técnicas, operacionales y económicas son completamente diferentes.



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Esto no quiere decir que un aerogenerador de el abastecimiento de agua no pueda ser utilizado para regar campos de cultivo –que muchas veces se utiliza- pero, por ejemplo, los diseños de regadío son muy diferentes a los de abastecimiento de agua, siendo estos molinos (los de regadío) no aptos para abastecimiento de agua.

Los aerogeneradores han de ser fiables, para poder operar sin supervisión durante la mayor parte del tiempo, por lo que precisan de sistemas de protección automáticos que garanticen su seguridad; por ejemplo sistemas de detección de velocidad, que sean capaces de frenar la velocidad del molino en caso de tormenta. También han de ser capaces de trabajar con una supervisión mínima, para ahorrar costes, con un rango de bombeo de agua de mínimo diez metros de profundidad.

Una instalación típica, por ejemplo en una granja, ha de ser capaz de trabajar veinte años con una inspección de mantenimiento anual, sin necesidad de reparar componentes importantes; ya que un requisito fundamental a la hora del diseño y condiciones de trabajo ha de ser que el molino desarrolle unas ochenta mil horas de funcionamiento antes de que necesite la reparación de alguna parte importante por desgaste; lo que supone una media de 4 a diez veces la vida útil de la mayoría de motores diesel pequeños, o unas veinte veces la vida útil de una pequeña bomba de motor.

Los molinos de este tipo suelen ser fabricados industrialmente, con sus componentes de acero, y movimiento alternativo. Es por ello que suelen ser bastante caros en relación con su potencia de salida, debido a la robustez de los materiales con los que se construye su estructura, pero muchos granjeros han descubierto que vale la pena pagar la inversión ya que, con un mínimo mantenimiento y una casi nula supervisión durante su funcionamiento, son capaces de trabajar durante muchos años de una forma fiable.

Las instalaciones para regar campos del cultivo, sin embargo, tiene un diseño muy diferente. En primer lugar, trabajan estacionalmente, por lo que no han de estar operativos todo el año. El volumen de agua que transportan cuando están en funcionamiento es



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mucho mayor que el de los aerogeneradores dedicados al abastecimiento de agua corriente, transportándola durante mucho menos recorrido; y además la calidad del agua que transportan es menor que la dedicada al consumo humano. Además de todo esto, el molino ha de ser económico, y este criterio suele prevalecer sobre otros. Ya que, debido a la actividad de cultivo, está presente el granjero y los empleados que tenga a su cargo, no es tan crítico que el molino sea capaz de trabajar sin supervisión humana, por lo que una solución adoptada por muchos granjeros es diseñar su propio aerogenerador, para abaratar el coste, por ejemplo los aerogeneradores siguientes: el primero es de origen chino, el segundo tailandés y el tercero etíope.

Figura 6. Ejemplo de aerogenerador chino con eje fijo [5]



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Figura 7. Ejemplo de aerogenerador Tailandés de eje fijo [5]



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Figura 8. Aerogenerador etíope con sistema de orientación (veleta) [5]

Si un aerogenerador estándar es utilizado para irrigación de campos de cultivo, normalmente para cubrir distancias mucho menores que las necesarias para abastecimiento de agua corriente, suele haber dificultades con el diámetro del pistón, ya que no suele ser adecuado para absorber toda la energía del molino.

También suele ser problemático el hecho de que, muchas veces, se hace necesario construir el molino justo encima de la bomba de agua, en cimientos de hormigón, lo que limita la localización de los aerogeneradores a zonas donde haya pozos o perforaciones, en lugar de poder extraer el agua a partir de zonas de aguas abiertas.

En muchos casos, cuando el aerogenerador es fabricado por el propio usuario, se fabrica únicamente para su uso característico, descartando su utilización para otras aplicaciones para evitar sobreesfuerzos y grandes tensiones.

En los últimos años, se han hecho investigaciones para poder realizar un aerogenerador moderno, es decir, ligero y robusto, con las virtudes de los molinos antiguos de principios de siglo, como por ejemplo su robustez. Muchos aerogeneradores en el mercado, incluso todavía en fabricación, datan de 1920 o incluso antes, y son demasiado pesados, lo que dificulta su fabricación e instalación. Estos esfuerzos, encaminados a revisar diseños antiguos, mejorando sus características, dan como resultado, por ejemplo, el aerogenerador "IT Windpump", que es la mitad de pesado que los aerogeneradores antiguos de tamaño similar, y es comercializado en Kenia como “Kijito” y en Pakistán como “Tawana”.



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1.2.4 Condicionantes técnicos, sociales, medioambientales y económicos

El Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo, PNUD, enfocó su informe de 2001 sobre el Desarrollo Humano a la absorción por parte de los países en vías de desarrollo del progreso técnico, de forma que les permita trazar un camino hacia los beneficios del adelanto tecnológico, a la vez que salvaguarden los nuevos riesgos que acompañan.

Este informe fue el primero tras la adopción de los Objetivos de Desarrollo del Milenio de las NNUU, para 2015. Ésta tecnología debe ser: favorecedora de las capacidades de producción y participación y garantizadora de la seguridad y acceso a los servicios básicos.

El PNUD también considera de especial importancia para la cooperación para el Desarrollo Humano las oportunidades que plantea la Era de las Redes. Las tecnologías de la información y las comunicaciones, a pesar de la brecha digital, eliminan obstáculos que se oponen al conocimiento (tan esencial como la educación para la formación de las capacidades humanas) a la participación, y a las oportunidades económicas

Es necesario el estímulo, dentro de los países en vías de desarrollo, de los gobiernos, del sector privado e instituciones académicas, para que combinen sus capacidades de investigación y desarrollo para la innovación tecnológica al servicio del desarrollo humano.

Pueden destacarse dos capacidades importantes: - En primer lugar, en las últimas décadas se ha producido un decremento de la investigación pública unido a un aumento de la investigación privada; pero sin embargo el sector privado desarrolla innovaciones que responden al mercado



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prestando poca atención a la investigación en ámbitos de alto interés social que están alejados del mercado. - En segundo lugar, la investigación universitaria se está focalizando cada vez más a áreas con aplicabilidad mayor en el mercado; lo que supone que otras áreas del desarrollo y conocimiento científico ven disminuir su importancia y recursos por llevar consigo bajo rendimiento económico o político.

Por todo ello, es conveniente el apoyo de iniciativas mundiales destinadas a cubrir mercados ausentes, protegiendo recursos comunes y promoviendo normas uniformes que proporcionen información. Hay mercados con una importante demanda latente y de gran importancia para el desarrollo humano, que no están cubiertos de forma adecuada, como ocurre con el acceso a sistemas de energía fotovoltaicos, para zonas alejadas de redes eléctricas. Hay recursos comunes a proteger que son de gran valor en la innovación tecnológica para el desarrollo humano, como es la diversidad biológica y los programas de ordenador de fuente abierta. Los programas de ordenador de código abierto son aquellos que deben distribuirse junto con sus fuentes, es decir, con la programación que los hace funcionar. Este tipo de programas son una opción excelente para el aprendizaje en el desarrollo de software, son muy adecuados para la realización de adaptaciones locales y facilitan la creación de industrias de software en pequeños países El PNUD propone la puesta en marcha de medidas que apunten a proteger y fomentar este tipo de programas: difundir sus beneficios en los países pobres, financiar el desarrollo de aplicaciones de este tipo para los países en desarrollo, elevar su comprensión entre los responsables políticos y fomentar su adopción por las administraciones públicas.

En el proyecto presente de Kenia, todos estos condicionantes afectan sin duda ninguna. En primer lugar, el factor económico. Claro está que, cuanto más dinero se tenga, más se puede emplear en invertir en tecnología; y mejor será la instalación final. La comunidad



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para la que se diseña el molino se caracteriza fundamentalmente por la escasez de medios económicos, y consecuencia de ello carente de conocimientos técnicos, necesarios para la supervisión del funcionamiento de la instalación y su mantenimiento y reparación.

Desde el punto de vista social, también existen claros condicionantes. El sistema eólico de bombeo se proyecta a la comunidad como un medio para suministrar agua, y así liberar de esa carga a mujeres y niños, que frecuentemente son quienes tienen que realizar esta función. Tristemente es así, de tal modo que priva a las mujeres de poder realizar cualquier otra actividad; de tal forma que, si el molino realiza esta función, el rol de la mujer adquiere más fuerza y protagonismo, pudiendo realizar otras actividades, como por ejemplo ayudar al cultivo o ganadería, o incluso abriendo su propio comercio, que además puede recibir ayudas como por ejemplo los microcréditos. A su vez, los niños también se ven liberados de realizar esta función, lo que trae múltiples beneficios. El primero y más claro es físico; un cuerpo en crecimiento no debe ser sometido a duras cargas frecuentemente, ya que pueden provocar alteraciones en el normal desarrollo. En segundo lugar, al quedar exento de esta actividad, el niño puede ir a la escuela, formándose y educándose, lo que no hace sino revertir en la comunidad, que se verá beneficiada de tener a gente cada vez más formada y con más conocimientos; que, como se ha explicado anteriormente, puede ayudar al progreso tecnológico y sostenible de la comunidad.

Medioambientalmente, claro está el condicionante. En primer lugar, que la solución sea ecológica, ya que no se busca una solución que destruya el ecosistema de la comunidad, alterando sus condiciones, sino todo lo contrario, integrar la solución y la tecnología en la comunidad con el mínimo impacto posible, ya que además la aldea es auto sostenible, y un impacto negativo en el ecosistema local sería un serio problema para la comunidad. En segundo lugar, una vez asegurado el condicionante anterior, se ha de tener en cuenta la estacionalidad debido a la naturaleza del proyecto. Se trata del bombeo de agua, por lo que el abastecimiento de ésta está influido por la época del año. En verano cabe pensar que se dispondrá de poco agua, no así en estaciones lluviosas o de deshielo (Kenia tiene un glaciar, en el Monte Kenia), por lo que sería interesante adaptar al molino de bombeo



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un depósito capaz de mantener agua sobrante en épocas de abundancia para ser utilizada en épocas de carestía.

Por tratar el tema de una forma esquemática, a continuación se analizarán ordenadamente todos los aspectos implicados en este proyecto:

Económico-técnico: Un proyecto de estas características, debe tener en cuenta los siguientes factores: - Salario medio: en Kenia, el salario medio por persona es de unos 50 euros al mes aproximadamente. Por esta razón, el proyecto ha de ser lo más económico posible. Se podría transportar desde Europa o América un aerogenerador de última tecnología, con eficientes sistemas que optimicen el aprovechamiento de energía y mejoren las prestaciones; pero su precio sería desorbitado para la población Keniata, y más concretamente para una población rural, que, recordemos, tiene pocos medios. - Coste de fabricación: será necesario hacer un estudio de los costes que supondrá la fabricación e instalación del molino, así como durante su periodo de funcionamiento. Cabe suponer que lo más económico será realizar el aerogenerador en la comunidad, empleando a los trabajadores locales (carpinteros, metalúrgicos, fontaneros, etc) para abaratar costes de fabricación. Así mismo, las materias primas locales serán más baratas que las que se importen, ya que la comunidad rural, al estar aislada, supone unos elevados gastos de transporte, a sumar a los ya propios de la adquisición de las citadas materias primas. - Coste de mantenimiento: Durante este periodo, también se ha de analizar el coste de mantenimiento. Durante el funcionamiento del molino, cabe esperar algún tipo



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de fallo, ya sea por desgaste natural de las partes o por accidente puntual. En primer lugar, se hará necesaria una supervisión del molino periódicamente, para asegurarse que funciona correctamente. Esto supone ya de por sí unos gastos, ya que es necesario contratar a alguien para ello. Además, sería bueno disponer de piezas de recambio básicas, es decir, las que se espera que con una probabilidad más alta se rompan o desgasten; y un lugar donde almacenarlas, en el caso de Nyumbani, a salvo de animales, tanto salvajes como domésticos, accidentes meteorológicos y otro tipo de accidentes (golpes, robos…)

Social: La instalación de un aerogenerador es muy positiva para una comunidad; lo es para Nyumbani. Al no disponer de agua corriente, la comunidad entera se beneficiará de su uso, por lo que todos podrán disfrutar de su instalación. - Niños: dejarán de tener que ir al río con bidones y cubos a por agua, ya no será necesario. Esto implicará que no solo ya no tendrán que realizar esta actividad, sino que además podrán ir a la escuela para estudiar. El nivel cultural aumentará, y la tasa de analfabetismo podrá ser reducida más fácilmente. Por otro lado, su desarrollo físico será mejor, al no someter a unos organismos en crecimiento cargas demasiado pesadas. -Higiene: al disponer de más agua, ésta podrá ser utilizada para la higiene, tanto personal como de las viviendas y objetos. Con esto se conseguirá no sólo mayor calidad de vida, ya que las casas, edificios, y materiales estarán más limpios y cuidados, sino disminuir el número de enfermedades. Con una mayor higiene y disponibilidad de agua, todas las heridas, picaduras, arañazos, o simplemente secreciones corporales pueden ser limpiadas y eliminadas rápidamente, mejorando el bienestar de la comunidad.



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- Alimentación: mayor agua disponible también significa mejor cocina. En la cultura africana es muy normal cocer la comida, ya sea arroz, cereales, verduras, pescado… La disponibilidad de agua limpia proporcionará a la comunidad mejor tipo de preparación de alimentos, de una forma más saludable. Además de esto, podrán disponer de más agua para beber. Una persona no bebe lo mismo en época de verano que de invierno; en la época de calor el cuerpo demanda más agua. Nyumbani, al disponer con este proyecto de un mejor suministro, podrá permitir a sus habitantes una mejor hidratación; lo que significa que en la época de calor podrán trabajar mejor; refrescándose evitando insolaciones; por lo que esto les permitirá trabajar más y mejor, que no hace sino redundar en beneficio de la comunidad.

Medioambiental: En este aspecto, habrá que tener en cuenta las siguientes características: - Población de aves: ya que Nyumbani está localizado en Kenia, lejos de la civilización (Nairobi está a unos 150km) es de suponer que habrá una comunidad de aves en la zona. Un aerogenerador supone un riesgo para esta población, ya que suelen morir impactando contra las aspas. Una solución a esto puede ser pintando el molino de colores vistosos, de tal forma que sea perceptible por parte de las aves. - Población de peces y animales acuáticos: Como es natural, el agua al ser un lugar propicio para la vida, hace suponer que en el río/zona donde se vaya a instalar, haya vida acuática. Por ello, una posible protección contra su muerte por



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absorción puede ser la colocación de filtros, de tal forma que impida la succión de los peces/anfibios/animales. - Un aumento en la cantidad disponible de agua hará que las cosechas y cultivos Sean más fuertes y fértiles. La productividad aumentará, de tal forma que se podrá garantizar tanto la alimentación de la población como una correcta alimentación también del ganado, pudiendo aumentar el número de reses. Otra opción puede ser vender el excedente en mercados, lo que también será beneficioso para la comunidad ya que atraerá comercio y dinero.



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1.3 El aerogenerador

El aerogenerador se procederá a diseñar en este capítulo, teniendo en cuenta en ciertos apartados varios diseños y alternativas. El aerogenerador o molino está compuesto principalmente por cuatro partes: el rotor, formado por los álabes; el sistema de transmisión, que está formado por un eje encargado de comunicar el movimiento desde el rotor hasta la bomba, la bomba, que impulsa el agua hacia arriba, y la torre del molino que es la encargada de sustentar todo este sistema, absorbiendo el propio peso del sistema, el agua que se ha de bombear, posibles impactos, e incluso vibraciones. El diseño de cada una de estas partes, por separado, sería suficiente materia para realizar un Proyecto final de Carrera, pero en éste se va a realizar un diseño y estudio menor que el que se realizaría en un proyecto exclusivo de cada parte, con el objetivo de aplicar así los conocimientos adquiridos durante la carrera en materias como cálculo, estadística, resistencia de materiales, teoría de estructuras, o energías renovables, por ejemplo. De esta forma de hará un diseño conceptual general del molino pudiendo aplicar conocimientos diversos adquiridos durante la carrera.

1.3.1 Análisis de viento

El rotor está formado fundamentalmente por los álabes o palas, que son los encargados de absorber la energía cinética que procede del viento y transformarla en energía mecánica. Por ello, para el diseño del rotor, se deberá primero conocer el régimen de vientos de la zona donde se va a instalar el aerogenerador.



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En Nyumbani existe una estación de medición de viento, situada a una altura de 10 metros sobre el suelo. Esta estación recoge medidas de viento cada cierto tiempo, y las almacena. Estas medidas son fundamentales para el diseño, ya que muestran no sólo la variación diaria de viento, sino, mediante su acumulación, la variación estacional del viento.

En un primer momento, se obtuvieron las medidas brutas de viento, desde el día 8 de agosto de 2011 hasta el 3 de febrero de este año. Con esas medidas, se procedió a:

- Eliminación de las medidas erróneas. La estación meteorológica instalada no

es de última tecnología, de tal forma que ciertas medidas no se pudieron obtener, y otras fueron alteradas debido al mal funcionamiento temporal; por ejemplo, en ciertos momentos, marcaba velocidad mínima 0,3 m/s, en vez de marcar velocidad nula. Todos estos elementos fueron apartados para evitar errores en el análisis.

- Ordenación de las medidas. Aproximadamente, había un total de 14.000 medidas del viento. Para el análisis de las mismas, en primer lugar de procedió a ordenarlas de menor a mayor, y asignarles un valor ordinal.

- Asignación de una probabilidad empírica, p, de ocurrencia. De esta forma, se

puede conocer la distribución empírica del viento; es decir, si a una velocidad Vo le corresponde una probabilidad Po, esto indica con qué probabilidad (Po) habrá un viento menor o igual a Vo. Para hallar Po, se dividió los valores ordinales comentados en el apartado anterior entre el total más uno de los valores existentes, ya que siempre existe la posibilidad de tener una velocidad superior a la velocidad máxima registrada en la base de datos; por ello el denominador corresponde al total de elementos más uno, he ahí su significado.



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A su vez, los elementos repetidos se eliminaron de tal forma que se dejó el de mayor probabilidad (por ejemplo, si V5 y V6 son iguales, como sus probabilidades Pi de ocurrencia no lo son, se elige la probabilidad más alta, P6, y se descarta la probabilidad P5, por estar ya incluida en la probabilidad P6).

- Por otro lado sabemos que la Función de Probabilidad Acumulada de una Weibull es:

Ec. 1

P se denomina a la probabilidad acumulada V es la velocidad que se está estudiando K y C son los parámetros de la distribución Weibull. K es el parámetro de forma, y C es denominado parámetro de escala. Esta función nos da la Probabilidad (P) de que un dato de velocidad sea menor o igual que "V". El concepto es similar a la P que se ha sacado de los datos. Operando con Logaritmos neperianos, se puede convertir la función anterior en

Ec. 2



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Esta función es una recta del tipo:

Ec. 3 Donde

Ec. 4

Ec. 5

Ec. 6

Ec. 7

Si los datos de Probabilidad P y Velocidad V se convierten a las nuevas variables Y y X, y se ajusta una recta a los datos con esas nuevas variables, se obtendría A y B, y con eso la k y C de la distribución Weibull. No hizo falta descartar ningún valor ya que al ser las velocidades todas positivas (en este caso no tiene sentido de hablar de velocidades negativas) los logaritmos neperianos son factibles.



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Con ayuda de Microsoft Excel, se realizaron las operaciones mencionadas, y se comprobó la bondad del juste mediante el parámetro R2. Un ajuste de este tipo será mejor cuanto más se aproxime R2 al valor 1. Cuanto más se aleje, indicará que el ajuste realizado es peor. Éste, obtuvo un valor de R2 = 0’9077, lo que indica que el ajuste realizado es aceptable.

A la luz de estos resultados, viendo que son aceptables y lógicos, con sentido, se procedió a calcular los valores K y C que caracterizan la distribución Weibull.

K= 2.4231 C= 3.998

Obteniendo un valor medio con estos datos de:

Velocidad Media = 3.54 [m/s]

Además, se realizó un estudio de la dirección predominante, o direcciones predominantes de viento. Se realizó porque, en caso de que existiera una única dirección, podría no dotarse a la góndola de un sistema de orientación; por el contrario, si se determinan varias direcciones, se deberá instalar algún mecanismo para permitir a la góndola orientarse en la dirección del viento y así absorber la mayor energía cinética del viento posible. Este sistema, para el caso de este aerogenerador, puede ser construido con una veleta.

El análisis de la dirección del viento permitió determinar la siguiente rosa de los vientos:



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Figura 9. Rosa de los vientos de Nyumbani y ajuste por mínimos cuadrados del viento. [6]



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Como se comentó anteriormente, estos datos solo fueron tomados en el intervalo de unos meses, no llegando ni siquiera a un año. Por esto, hay una gran influencia estacional. Lo óptimo hubiera sido disponer de datos tomados durante varios años, para poder caracterizar el viento de una manera fiable.

Para intentar hacer un estudio realista, se decidió comparar estos datos de viento con los datos de estaciones próximas; observando el comportamiento del viento en una época del año idéntica a la época de la medición en Nyumbani, y luego observando la evolución del viento en todo el año. De esta forma se intenta eliminar la estacionalidad de los datos, e intentar extrapolar un régimen de viento generalizable a todo el año.

Por ello, se acudió a la página web ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/gsod/ y se realizó lo siguiente:

- De entre todos los países, se escogió Kenia. Cada país tiene un código asociado, de tal forma que para seleccionar Kenia se debe encontrar su código asociado.

- Mirando el código de Kenia, se observaron todas las estaciones meteorológicas existentes. Con ayuda de mapas, se observó dónde estaba localizada cada estación, y se procedió a seleccionar las más próximas a Nyumbani. Para que el análisis fuera el adecuado, se seleccionaron dos, de tal manera que el contraste sea robusto. Una al Este de Nyumbani y otra al Oeste.

ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/gsod/



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- Con los datos de viento de ambas estaciones, la manera de proceder fue la siguiente: se seleccionaron los datos de viento de un periodo solapado al que se tiene de Nyumbani, y a su vez todos los datos del año de la estación. De esta forma se observa si hay un cambio apreciable de régimen de vientos en este periodo respecto al año entero.

Figura 10. Comparación de vientos periodo-año completo. [6]

Se puede apreciar en color verde una distribución genérica de vientos en un periodo determinado. En color azul, la gráfica muestra una distribución genérica de viento en un periodo de un año. Con ello, lo que se pretende es apreciar posibles cambios estacionales, y corregirlos.



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Como se ilustra en la gráfica superior, se trata de observar el comportamiento del viento en todo un año (color azul), y a su vez el comportamiento del viento en el periodo de ese año que es común a los datos de Nyumbani (color verde). De esta forma se puede establecer una relación entre el viento en ese periodo y el régimen total, y haciendo esto tanto al Este como al Oeste da robustez a las conclusiones que se saquen.

Las estaciones elegidas fueron las siguientes: al Este de Nyumbani, la más próxima fue la de Garissa, a unos 241 kilómetros. Al Oeste de Nyumbani, la estación de medición más próxima es la de Nairobi-Eastleigh, situada a unos 120 kilómetros de la aldea.

Con los datos de viento de ambas estaciones, se realizó lo siguiente: en primer lugar, una caracterización de sus vientos. En segundo lugar, análisis, durante el periodo de solapamiento (es decir, los meses en los que se ha podido medir el viento en Nyumbani), del comportamiento del viento, y de ahí deducir lo siguiente:

Va= Vs F

Ec 8

Siendo

Va velocidad anual

Vs velocidad solapamiento

Q parámetro de proporción

Con estos datos, se halló el parámetro F, tanto en la estación de Garissa como en la estación de Nairobi-Eastleigh. Para una buena caracterización del viento en la zona de Nyumbani, aplicando la regla de la palanca, se obtuvo:



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Ec 9

Siendo

Velocidad NY la velocidad anual estimada en Nyumbani, es decir, el objetivo

F Gar el parámetro F en Garissa, F Nai el parámetro F correspondiente a Nairobi-Eastleigh, y , las distancias de Garissa a Nyumbani y de Nyumbani a Nairobi-Eastleigh respectivamente.

De tal forma que, cuanto más cerca esté Nyumbani de Garissa, más se parecerá el parámetro F de Nyumbani al parámetro F de Garissa, y cuando más se acerque a Nairobi-Eastleigh, más se parecerá el parámetro F de Nyumbani al de Nairobi.

De esta forma, se puede aproximar el comportamiento medio anual de viento en Nyumbani como la constante F multiplicada por el viento medio en el periodo de estudio. Con esto, se obtiene la velocidad media en Nyumbani, punto de partida del diseño del rotor.

Ayudándose del libro WINDPUMPING HANDBOOK FOR ENGINEERS basado en el trabajo de Wind Energy Group de la Universidad de Eindhoven de Tecnología, se observa la ecuación:

Ec 10



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La velocidad de diseño de un aerogenerador es el régimen de viento para el que se ha modelado el molino; es el régimen de viento al que se desea que funcione el sistema. Al diseñarse con un valor inferior al valor medio, se espera que más de la mitad del tiempo trabaje en condiciones de viento mayor que las de diseño, de tal forma que pueda impulsar un caudal mayor.

De tal forma que la velocidad de diseño del aerogenerador será un valor entre 0’8 y 1’2 veces la velocidad media del viento. Para el diseño del aerogenerador se ha tomado el caso más desfavorable, esto es, que la velocidad de diseño del aerogenerador sea 0’8 veces la velocidad media del viento.

1.3.2 El rotor

Una vez hallada la velocidad de diseño, se ha de ajustar a la altura de la torre. El viento es un fluido, y se comporta de tal forma que, en las zonas próximas al suelo, se frena por la acción de éste, y va aumentando a medida que se aleja del suelo hasta llegar a una velocidad a partir de la cual permanece más o menos constante.

Para el diseño del aerogenerador se consideró 25 metros como una altura razonable. Es suficientemente alto como para trabajar con vientos mejores que los obtenidos a 10 metros (estación de captación de datos) pero no tan alto como para representar un problema para la tecnología disponible.

Para ilustrar esto, valga la siguiente gráfica donde se aprecia la diferencia de módulos de la velocidad según su altura respecto al suelo.



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55

Figura 11. Variación del viento con la altura. [7]

Para conocer el comportamiento del viento a una altura de 25 metros, conocido el viento a 10 metros de altura, se utiliza la fórmula logarítmica universalmente conocida que se muestra a continuación. Se decidió emplear este modelo ya que ha sido propuesto en el diseño del proyecto y además, también ha sido estudiado en ICAI, de tal forma que se ha considerado el oportuno para modelar la velocidad, pero sabiendo que existen otros, como por ejemplo el modelo logarítmico. La ecuación que lo rige es:



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Ec 11

Siendo

V2 velocidad a una altura H2

V1 velocidad a una altura H1

n factor dependiente del terreno, que indica cómo fluye el viento



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57

Figura 12. Factor n. [7]

El factor n, atendiendo a la tabla disponible en los apuntes de la asignatura de Energías Renovables, se determina como n=0’2, ya que las condiciones en las que se instalará serán: zona de campo, con, posiblemente, arbolado cercano, y alguna casa en un radio de unos 250 metros. La zona de Nyumbani como se puede apreciar en el mapa satélite, es una zona con un poco de arbolado, cultivos cercanos y ciertas casas, de tal forma que éstos son los criterios que se han utilizado.

Figura 13. Vista aérea de Nyumbani. [8]



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De esta forma, se puede obtener la velocidad de diseño del aerogenerador a una altura de 25 metros en las condiciones propias de Nyumbani. Con este dato, atendiendo a la ecuación que rige la potencia eólica (disponible), y la potencia necesaria para bombear un caudal de agua salvando cierta altura, se puede determinar el radio mínimo del rotor; y así hallar la longitud de los álabes.

De este modo, para bombear unos 65 litros de agua al día, salvando una altura de 30 metros (nivel freático) con una velocidad de diseño de 3.02 [m/s], se precisa un radio mínimo de rotor de 5’55 metros. El caudal necesario se ha calculado teniendo en cuenta las necesidades de agua de una pequeña célula. En ella, el consumo de agua por persona para bebida se estima en 5 litros diarios. Para cocinar alimentos e higiene, unos 20 litros serán necesarios. Los restantes litros (25 litros, si la célula está compuesta por cuatro personas) se pueden dedicar al cultivo (cuidando la distribución del agua para que se reparta en todo el cultivo/huerto) o bien para cabras (una cabra consume unos 20 litros diarios de agua, justo la cantidad que sobra)

Ec 12

Es en este punto donde comienza el diseño de los álabes. Hasta el momento, se ha hallado su longitud, que corresponde con el radio; ahora se va a calcular la cuerda (es decir, su anchura) y su torsión, que viene definida por el ángulo β. Para ello, se tendrán en cuenta una serie de consideraciones y una elección del tipo de álabe que se desea.



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En primer lugar, el cálculo de estos parámetros de los álabes se hará bajo el supuesto de que el parámetro CL, coeficiente de sustentación aerodinámica, adimensional, permanece constante. Esto es una aproximación, de tal forma que, aunque no es puramente cierto en la realidad, sí se puede suponer. Teniendo en mente esto, se observa la tabla a continuación:

Figura 14. Tabla de perfiles de álabe. [9]

En esta tabla se puede apreciar que, para cada tipo de perfil, hay unas características dadas. Volviendo al concepto de tecnología apropiada, no se elegirá un diseño complejo, puesto que su fabricación sería demasiado laboriosa para Nyumbani. Tampoco se desea un álabe demasiado simple, ya que el nivel tecnológico necesario para su construcción es



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60

básico y se puede elevar un poco la tecnología a emplear. Por ello se elegirá un diseño intermedio, que en la tabla viene denominado por “Curved plate with tube on concave side”. Se observa que, para este diseño de álabe, el valor de α (en general, este ángulo representa el ángulo de ataque. En la tabla anterior, su significado es el ángulo de ataque de máxima eficiencia aerodinámica. Es el coeficiente particular para cada CL en particular) viene determinado (4º) y la relación entre Cl y Cd también, así como Cl, de tal forma que quedan definidos tanto Cl como Cd.

Observando además la tabla mostrada a continuación

Figura 15. Tabla de parámetros del rotor. [9]

Se aprecia la relación entre el número de álabes (B) y el parámetro de diseño λd.

λd es un parámetro de diseño, a elección del diseñador, que relaciona la velocidad relativa del aire en punta de pala producida por el giro de rotor y la velocidad de viento. Para este diseño, se eligió un



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61

λd = 1

de tal forma que ambos elementos que relaciona son iguales.

Este parámetro λd, suele valer entre 1 y 2 para aerogeneradores de bombeo de agua, valiendo más para los aerogeneradores de generación eléctrica. Como es un parámetro de diseño, comentado anteriormente, se eligió un valor de λd=1, y el número de álabes (B) igual a veinte.

De esta forma, mediante una serie de ecuaciones, se puede llegar al diseño del álabe, obteniendo los valores finales de ángulo β y de cuerda. Éstos se resumen en la siguiente tabla:

% R [m] β[º] Cuerda [m]

15 0,834 50,313 0,397

30 1,667 44,867 0,652

45 2,501 39,848 0,797

60 3,335 35,358 0,864

75 4,168 31,420 0,881

90 5,002 28,009 0,869

100 5,558 26,000 0,851



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62

Figura 10. Tabla de diseño final del rotor [6]

En esta tabla se muestra la evolución del ángulo β y de la cuerda a lo largo de la longitud r del álabe, empezando por un 15% de su longitud y terminando al 100% de la longitud de la pala, esto es, en su extremo.

Como resumen del diseño de los álabes del rotor, a continuación se detallan las principales características:

Velocidad de diseño Vd:

Área: 97,031 [m2]

Radio: 5,558[m]

Cl:1.1 Cl/Cd: 0.03 α:4º B(número de álabes): 20 λd:1

% r β Chord

15 0,834 50,313 0,397

30 1,667 44,867 0,652

45 2,501 39,848 0,797

60 3,335 35,358 0,864

75 4,168 31,420 0,881

90 5,002 28,009 0,869

100 5,558 26,000 0,851



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63

Figura 11. Diseño final del rotor [6]

1.3.3 La bomba

La bomba es la parte del aerogenerador encargada de coger el agua e impulsarla hacia arriba, desde el nivel freático hasta la superficie. Por ello es una pieza fundamental, ya que de su buen funcionamiento depende que se pueda impulsar el agua. Un fallo en otro componente se puede reparar fácilmente, especialmente si está al nivel del suelo o superior; pero la bomba ha de trabajar por debajo del suelo, de tal forma que se prestará especial atención para hacer un diseño robusto.

Para su diseño, se ha de tener en cuenta no sólo la cantidad de agua que se desea impulsar, sino la energía eólica disponible para ello. Esto ya ha sido analizado en el apartado anterior, lo que facilita los cálculos.

La bomba puede ser de dos tipos: o bien centrífuga, o de pistón. Típicamente, a bajas velocidades, las bombas suelen ser de pistón, diseño que se elegirá para el aerogenerador. Una bomba de pistón consta de: un pistón, dos válvulas, y dos conductos. Cada conducto tiene asociada una válvula, como se puede deducir; de entrada y de salida del agua. En un diseño tradicional, la válvula superior se coloca en el pistón, y la inferior es conocida como válvula antirretorno, y su función es permitir el paso del agua al interior de la bomba en ciertos momentos (cuando el pistón está subiendo) y evitar que se escape el agua fuera de la bomba cuando el pistón está bajando.

El sistema de funcionamiento es simple (por lo tanto, apropiado, recordando el concepto de tecnología apropiada): cuando el pistón se mueve hacia abajo, la válvula antirretorno permanece cerrada, impidiendo la salida de agua hacia abajo, mientras que la válvula superior permanece abierta, permitiendo la circulación del agua hacia arriba del pistón. Una vez que el pistón llega al punto muerto inferior, la válvula superior se cierra y la inferior pasará a estar abierta, ya que a continuación el pistón hace su recorrido hacia



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64

arriba, y durante este proceso la válvula superior permanece cerrada mientras que la válvula antirretorno permanece abierta, permitiendo el paso de agua que rellena el volumen que aparece por debajo del pistón en su movimiento de subida. Esto se desarrolla hasta el punto muerto superior, volviendo al proceso anterior (esto es, la válvula superior abre y permite el paso de agua por encima del pistón, y la válvula inferior cierra para evitar la fuga de agua).

En la siguiente imagen se ilustra el esquema de funcionamiento del pistón y las válvulas.



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65

Figura 16. Esquema básico de una bomba de pistón. [9]

La distancia que recorre el pistón desde el PMI al PMS (Punto Muerto Inferior y Punto Muerto Superior, respectivamente), llamada s, es igual al doble del brazo(r) que tiene el aerogenerador en el rotor. Éste es un parámetro de diseño, que se puede dimensionar dentro de unos márgenes, aunque luego veremos que ha de cumplir una serie de condiciones para que no haya problemas.

Figura 17. Esquema básico del aerogenerador. Rotor, transmisión y bomba. [9]



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66

De esta forma, dando un valor razonable a s, se puede igualar el par necesario para impulsar agua al par disponible, y se obtiene un volumen máximo de agua; esto es, un volumen que equivale al volumen formado por el área del pistón y la carrera. Si, como se ha hecho anteriormente, se le da un valor a la carrera s, se puede despejar el área máxima del pistón, resultando de 0,029 m2, y se obtiene un radio de pistón de 95.982 milímetros.

Los cálculos asociados a todos éstos apartados se pueden encontrar, explicados paso a paso, en el Capítulo 2, cálculos, en el que se desarrollan todos estos apartados.

1.3.4 Transmisión

El sistema de transmisión es el encargado de, como su propio nombre indica, transmitir el movimiento desde el rotor a la bomba de pistón, y absorber las fuerzas producidas en el funcionamiento. Estas fuerzas son de naturaleza variada, ya que no sólo hay fuerzas estáticas, debidas al peso propio del agua en estado de reposo, sino fuerzas dinámicas producidas por el movimiento de la columna de agua.

Sólo las cargas estáticas son independientes del tiempo; ya que las fuerzas producidas por la inercia varían según el momento en el que se encuentre el sistema. No se pretende hacer un estudio de la variación de las fuerzas a lo largo del tiempo, sino que se va a modelar el estado de las fuerzas para hallar el valor máximo, que será nuestro valor de diseño; lo que da robustez al los cálculos.

Las fuerzas del rozamiento son despreciables en comparación con el resto de fuerzas, de tal forma que se pueden despreciar sin que esto sea un factor crítico en el diseño, es una hipótesis asumible. A su vez, la potencia necesaria para mover los elementos del sistema de transmisión se considerarán también despreciables. Esta hipótesis en el HANDBOOK FOR ENGINEERS utilizado se ha obviado completamente, pero se ha decidido remarcar



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67

este hecho para que no parezca una omisión involuntaria. Se hizo un pequeño estudio para apreciar si las fuerzas necesarias para desplazar la transmisión eran despreciables, y se concluyó que con acero no; pero con un material como el aluminio sí es posible hacerlo. Las fuerzas dinámicas, especialmente las transitorias, son más difíciles de parametrizar en este modelo simplificado, de tal forma que se pueden asumir como proporcionales a las fuerzas dinámicas las fuerzas de inercia multiplicadas por un factor de seguridad, k.

El eje de transmisión, al moverse acorde a la rotación del rotor, se acelera y decelera en la misma forma. Respecto a la columna de agua, sólo influye su aceleración en la fase en la que el pistón sube (es decir, cuando se mueve desde el Punto Muerto Inferior al Punto Muerto Superior).

La fuerza estática Fest es debida al peso de la columna de agua, es decir:

Ec 13

Siendo

ρ densidad del agua

G gravedad

H profundidad del nivel freático (en los cálculos, 30 metros)

Ap área del pistón, calculada anteriormente



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68

La fuerza dinámica que se utilizará para el dimensionamiento del eje viene definida por la expresión

Ec 14

S carrera

ω velocidad angular

Lrm longitud de la tubería

Ap Área del pistón

Arm Área efectiva de impulsión (es decir, área del pistón menos el área del eje)

De esta forma, sumando ambas componentes se obtiene una expresión de la fuerza máxima que soportará el eje, que será el punto de diseño para el aerogenerador. Si ambas expresiones se relacionan mediante la fuerza estática, y con el factor k para mayorar los cálculos y así (típicamente se dimensiona entre un valor de k=1’5 a k=2; en este caso el diseño se mayorará, haciendo k=2)

Así se obtiene la expresión

Ec 15

En la que, en función del área que se elija de eje, se obtendrá una fuerza a soportar por el eje. Esta fuerza ha de cumplir la ecuación de resistencia de materiales:



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69

Ec 16

Siendo la tensión que soporta el material por unidad de superficie, A el área del pistón mínima, y F la fuerza máxima calculada anteriormente. Para el valor de , se ha utilizado un valor de aluminio razonable, perteneciente al aluminio grupo 5000; aluminio = 35000 [kg/cm2]

de tal forma que, eligiendo un σ determinado, se obtiene un área mínima para soportar la fuerza calculada. Éste es un proceso iterativo, en el que se empieza suponiendo un área del eje y, mediante iteraciones, se va ajustando a un valor óptimo para el cual se puede impulsar el máximo de agua posible. En nuestro caso, el material con el que se construirá el eje es aluminio, ya que es un material ligero, de tal forma que precisa de poca potencia para ser movido, y suficientemente resistente como para desempeñar la misión para la que ha sido pensado sin suponer una fuente de problemas.

Análisis de pandeo: Una vez calculado el radio del eje de transmisión, se ha de verificar finalmente que este sistema no sufra problemas por pandeo en el movimiento de bajada desde el PMS al PMI. Las ecuaciones obtenidas anteriormente son para el funcionamiento rutinario del aerogenerador. A velocidades muy superiores a la velocidad de diseño podrían empezar a aparecer problemas, principalmente por pandeo o fuerzas de inercia enormes. Para obtener unos cálculos que estudien este fenómeno, se tiene:

Del movimiento del pistón en su recorrido, se obtiene la expresión que caracteriza su velocidad:



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70

Ec 17

Derivando esta expresión respecto al tiempo, se deduce la ecuación que modela la aceleración del pistón:

Ec 18

Como en casos anteriores, no se busca parametrizar y conocer la aceleración en cualquier momento de funcionamiento del sistema de transmisión, sino conocer el valor máximo que servirá de referencia para los cálculos posteriores. Este valor será:

Ec 19

De esta forma, se crea una variable artificial, que se llamará coeficiente de aceleración, Ca, que viene definido por la expresión:

Ec 20



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_____________________________________________________________

71

Para evitar complicaciones, este coeficiente debería mantenerse inferior a Ca=1.

Si el ratio Ca se vuelve mayor de 1, el eje de transmisión estará forzado a moverse hacia abajo con mayor aceleración que la gravedad, lo que llevaría problemas de pandeo. Además, como hay fuerzas de fricción, el pandeo podría empezar para valores de Ca incluso inferiores a 1. Como un valor seguro, se puede decir que si se cumple la ecuación

Ec 21

Es decir, que el parámetro Ca no supera el valor 0’5, se estará en una zona segura, donde no habrá problemas de pandeo. Esto se cumple en el diseño propuesto, de tal forma que el problema de pandeo queda descartado. 1.3.5 Torre del aerogenerador

La torre del aerogenerador es una de las partes más importantes del mismo, y por ese motivo también es objeto de análisis en este Proyecto final de carrera. La torre es la parte del aerogenerador encargada de soportar tanto su propio peso, como el peso del agua elevada, y también soportar los esfuerzos provocados por el viento sobre el rotor y sobre la torre misma. El diseño de esta parte del aerogenerador, al igual que el resto de componentes, resulta ser un compromiso entre varias cosas: por un lado, cuanto más alta sea la torre, a mayor velocidad de viento podrá trabajar el aerogenerador, por lo que se conseguirá bombear más agua. Por otro lado, cuanto más alta sea la torre, no sólo mayores serán los esfuerzos que realice el viento sobre ésta, sino que mayor coste tendrá también su construcción, ya que requerirá de mayor cantidad de material.



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72

Como primera clasificación, se pueden distinguir dos grandes tipos de torres: en mástil tensado con cables, tubulares o de celosía. Las torres tubulares son más caras, ya que precisan de mayor cantidad de material, pero son mejores estructuralmente, y protegen mejor los elementos que circulen o estén por dentro de la estructura, incluyendo personal de mantenimiento, que puede acceder a la góndola por una escalera interior. Las torres de celosía pueden resultar más desagradables visualmente, menos armónicas que una torre tubular, y no pueden proteger a los elementos instalados en el interior de su estructura, pero tienen como grandes ventaja que ofrecen una menor resistencia al viento, y precisan mucho menos material para su construcción, lo que las hace bastante más baratas que las cilíndricas o tubulares. A continuación se estudiarán diferentes tipos de configuraciones:

a) Torre de celosía Este tipo de torre es el método más simple para construir una torre alta. Se basa en un conjunto de barras que trabajan a tracción o compresión, no realizando ningún otro esfuerzo. Se trata de una estructura metálica simple, pero bastante efectiva.



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73

Figura 18. Torre de celosía. [10]

b) Torre de hormigón

Típicamente, estas torres se configuran con hormigón armado o bien con hormigón pretensado. Históricamente se destacable que en Dinamarca, rondando los años 30, los aerogeneradores eran típicamente de hormigón armado. A día de hoy son características de turbinas danesas.



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74

Ya en estos días, las torres de hormigón son construidas con hormigón armado y con hormigón pretensado, y como ejemplos valgan algunos ejemplos como turbinas inglesas o en Suiza.

Figura 19. Torre de hormigón. [10] La elección del hormigón pretensado es más cara, pero sus características son mejores para aquellas veces en las que se busque una alta rigidez que las características de los hormigones armados, y está en competencia directa (económicamente hablando) con las torres de acero tubulares que presentan elevada rigidez. Existen otras configuraciones basadas en la utilización de tensores anclados a tierra para aportar rigidez a la torre, o torres mixtas formadas por un tramo superior de acero



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75

montado sobre una base de hormigón. En cualquier caso, ambas configuraciones son diseños muy particulares que no se utilizan actualmente.

c) Torre de acero tubular En la actualidad, éste es el tipo de torres que más se diseñan. En su evolución histórica, los primeros diseños eran realizados de forma que la frecuencia natural de flexión de la torre fuera superior a la frecuencia a la que giran las aspas. El por qué se explica observando que, de esta forma, se minimizan las probabilidades de excitar esta frecuencia natural del conjunto. Por ello, estos diseños suponían unas torres demasiado pesadas, que acarreaban un gran coste económico. A día de hoy lo que se busca es una frecuencia natural inferior, no superior, de tal forma que los diseños nuevos ahorras costes y material, reduciendo el peso económico y físico de la torre. Su método de fabricación menos complejo es la unión de tramos de tubos cilíndricos.



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76

Figura 20. Torre de acero tubular [10] A modo de resumen, se ha confeccionado la siguiente tabla comparativa, mostrando las ventajas e inconvenientes de cada diseño:

VENTAJAS

INCONVENIENTES

CELOSÍA

- Ligereza - Barato - Fácil de construir

- Poco estética - No protege los elementos interiores

HORMIGÓN

- Gran resistencia - Protección de elementos interiores; incluso permite acceso a góndola

- Inversión alta - Gran peso



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77

ACERO

- Resistencia aceptable - Protección de los elementos interiores - Más barata que Hormigón

- Más cara que Celosía - Peso bastante considerable

MÁSTIL

- Poco material - Bajo coste

- No apropiadas para Nyumbani ya que ocupan mucho espacio en su base - tendencia a ser objeto de actos vandálicos

Figura 21. Comparación configuraciones de torres. [6] Por todo ello, y volviendo al concepto de tecnología apropiada, se diseñará la torre con el criterio de Celosía. Esta solución es la de menor coste, y no es una opción extraña; muchas torres de una altura similar son de celosía; es fácil ver en las carreteras españolas postes de tensión de celosía de esa altura. Para el diseño de la torre, se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos:



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78

- Peso propio de la góndola - Peso propio de la estructura - Fuerza que ejerce el viento a la estructura de la torre - Fuerza que ejerce el viento sobre el rotor Después de analizar estos aspectos, se concluyó que en este diseño preliminar la fuerza más importante sería la que ejerce el viento sobre el rotor, despreciándose tanto el peso propio de la torre como el peso de la góndola. Por ello, las fuerzas a analizar serán: a) Fuerza del viento sobre el rotor

b) Fuerza del viento sobre la estructura

El modelo que se utilizará para diseñar la torre es el siguiente:

- Altura de 25 metros, anteriormente justificada

- Distancia entre las dos vigas (viga A y viga B) de 2.5 metros. Esta distancia se consideró adecuada, ya que supone un compromiso entre la base (cuanto más



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79

ancha, mejor, ya que soportará mejor los esfuerzos) y la cabeza de la torre, que no ha de ser excesivamente ancha.

Figura 22. Configuración de la torre del aerogenerador [6]



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80

En la figura superior se puede apreciar tanto las cargas ejercidas sobre la torre (en color rojo), como las reacciones en el suelo, que serán a priori (y a posteriori se observará que es acertada esta premisa) los lugares donde se producen esfuerzos mayores. Para el análisis de las fuerzas anteriormente mencionadas, se realizarán los siguientes cálculos: a) Fuerzas debidas al viento sobre la estructura

Las fuerzas debidas al viento sobre la estructura son de menor intensidad que la fuerza que sufre el rotor, pero éstas también serán objeto de estudio.

Como se ha analizado anteriormente, la velocidad del viento no es constante, ni siquiera lineal. Se asumirá una distribución exponencial, aunque ésta tampoco es enteramente verdad; pero sí que modela el viento de una forma aproximada a lo que ocurre en la realidad.

Por ello, la fuerza que ejerce el viento sobre la estructura es una fuerza que no es constante; cuanto más alto se está, más fuerza ejerce el viento. Por este motivo, se integrará la fuerza ejercida el viento en los diferentes tramos en los que se ha dividido a la estructura, y se asumirá como el valor de la fuerza del viento ejercida en ese tramo.



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81

b) Fuerzas del viento sobre el rotor

La fuerza del viento sobre el rotor es fruto de la fricción y el empuje que realiza sobre éste. Ésta no es una fuerza constante, de igual valor en todo el área del rotor, ya que como antes se mencionó, el viento no sopla de igual forma.

Pero para éste apartado, se asumirá que sopla en todo el rotor con la misma velocidad, provocando una fuerza que se puede calcular fácilmente con la expresión:

Ec 22

Obteniendo la máxima fuerza cuando

a= (2/3)

Quedando la expresión de la fuerza máxima en el rotor

Ec 23

De esta forma, calculando en la torre de configuración en celosía los esfuerzos en las barras, y seleccionando los valores máximos (que se darán en las reacciones



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82

con el suelo) se puede obtener el área circular de acero necesario, mediante la ecuación:

Ec 24

Siendo

F la fuerza máxima de las barras

la tensión a la que trabajan las barras

A área circular de las barras



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83



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84

Capítulo 2 CÁLCULOS

En este capítulo se desarrollarán todos los cálculos anteriormente mencionados pero que no han sido explicados con la suficiente profundidad como para analizarlos y conocer la metodología seguida.

Para la elaboración de los cálculos se ha utilizado de bibliografía básica los apuntes de la Universidad de Eindhoven. En ellos se explica la metodología básica, que se ha seguido para la consecución de este proyecto. Se dividirá el capítulo en las partes básicas de cálculo, que también han dividido el apartado 1.3 del capítulo anterior.

2.1 Análisis de viento En un primer lugar, los datos de viento facilitados, fueron recogidos en una estación meteorológica instalada en las cercanías de la aldea de Nyumbani. Su altura es de 10 metros sobre el nivel del suelo, y las condiciones son las mismas que las que se han pensado para la instalación del aerogenerador; terreno llano, sin obstáculos en un radio de unos 250 metros mínimo. En un primer momento, se recogió las medidas brutas de velocidad de viento, desde el 8 de agosto de 2011 hasta el 3 de febrero del presente año, 2012. En la siguiente página se muestra una gráfica que recoge estas medidas de viento.



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85



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86

Figura 22. Total de datos de Nyumbani, ordenados cronológicamente [6]

La gráfica anterior no aporta nada salvo la aceptación de que el viento tiene una variación muy fuerte. Esto hace que no se pueda determinar su velocidad media de una forma instantánea, por lo que se procederá a asimilar el viento a una distribución Weibull, y de ahí extraer conclusiones.

- En un primer paso, se eliminan todos los valores con mediciones erróneas. El número total de mediciones de viento se llamará n.

- A continuación, se procede a ordenar las mediciones por orden ascendente; de menor a mayor.

- Seguidamente, se les asigna un número ordinal.

- Lo que se hace a continuación, es asignar a cada medida i un valor de probabilidad empírica, pi. Significa que, existe una probabilidad pi

Ec 25

de que el viento sea menor o igual a dicha medida. Una captura de pantalla aleatoria será una buena imagen de referencia:



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87

Figura 23. Proceso de análisis de viento [6]

- Después de los pasos anteriores, ocurre lo siguiente: como hay muchas medidas de viento iguales, existen muchos datos que, siendo de la misma velocidad, tienen diferentes probabilidades. Por ejemplo, en la captura mostrada a continuación, se puede apreciar que para el mismo valor de velocidad hay múltiples probabilidades de obtener un viento menor o igual a dicha velocidad.



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88

Figura 24. Explicación de análisis de viento (2) [6]

Para solucionar este problema, se hace un filtrado de números, de tal forma que se seleccionan todos aquellos números que no se repitan; seleccionando de entre los que se repiten, aquellos con mayor probabilidad pi.

- Una vez pasado el filtro, ya se obtiene el grupo de números con el que se configurará la distribución Weibull asociada. Para ello, se realiza lo siguiente:

Se sabe que la función de probabilidad acumulada asociada a una distribución Weibull es

Ec 26

donde C y k son los parámetros de la distribución Weibull que se quiere hallar, explicados en el apartado 1.3.1.

Esta función da una probabilidad P de obtener un viento menor o igual que V, similar concepto al anteriormente enunciado con los números ordinales.



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89

Si la función anterior es simplificada con logaritmos neperianos, se obtiene

Ec 27

Ec 28

De tal forma que, siguiendo con los logaritmos

Ec 29

Resultando una función del tipo

Ec 30



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_____________________________________________________________

90

Con

Ec 31

Ec 32

Ec 33

Ec 34

Y ahora, convirtiendo los datos de velocidad y probabilidad a las nuevas variables, ajustando una recta con los datos obtenidos, se obtendría A y B, y con ello K y C de la distribución Weibull.

Gráfica de los datos ajustados a la línea recta buscada



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91

Figura 5. Ajuste por mínimos cuadrados del viento de Nyumbani [6]

Los parámetros obtenidos de la recta fueron:

Con una bondad de ajuste



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_____________________________________________________________

92

Por un lado, el parámetro da una idea de lo bien o mal que se haya ajustado la recta a los datos. Cuanto más próximo a 1, mejor se ha ajustado. Como se aprecia, el ajuste ha sido óptimo.

Con los parámetros anteriores, se halla K y C obteniendo

- Una vez obtenidos estos parámetros (escala y forma) que caracterizan a la distribución, se procede al cálculo de su valor medio.

Figura 26. Distribución Weibull genérica. [6]



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93

Para ello, empleando la fórmula

Ec 35

Siendo Vm la velocidad media

Se obtiene

Ésta es la velocidad media en Nyumbani a 10 metros sobre la superficie del suelo.

Para ajustar la velocidad a la altura de la torre, que se ha fijado en 25 metros, se aplica la ecuación

Ec 36

Siendo n un factor asociado al terreno donde se instalará el aerogenerador.

Este valor n se obtiene de



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94

Figura 27. Datos del parámetro n. [7]

Tabla sacada de los apuntes de la asignatura de Energías renovables.

Se puede apreciar que el n adecuado para el caso del aerogenerador de Nyumbani es de



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_____________________________________________________________

95

Por lo que se obtiene la ecuación

Ec 37

De tal forma que se obtiene el viento medio en Nyumbani a 25 metros sobre el nivel del suelo, cuyo valor es

Ec 38

Obtenido este viento, sólo queda hallar las velocidades medias de las estaciones de comparación, tanto en el periodo de solapamiento como en el año entero, y hallar un factor F que cumpla

Ec 39

Siendo Velocidad anual Nyumbani la velocidad media anual de Nyumbani, con la que se operará para el cálculo de parámetros del aerogenerador, y Velocidad periodo la velocidad calculada anteriormente como .



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96

Garissa

Figura 28. Plano Nyumbani – Garissa [11]

Garissa es un núcleo urbano relativamente próximo a Nyumbani, unos 241 kilómetros. Posee una estación de medición atmosférica, y es una de las referencias que se van a utilizar para hallar el parámetro de proporción F, que liga la velocidad media en el periodo de medición con la velocidad media anual.

Repitiendo un proceso análogo al ya explicado anteriormente, se obtiene



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97

Figura 29. Ajuste mínimos cuadrados viento anual en Garissa [6]

Obteniendo así unos parámetros de su distribución Weibull asociada

K=2.54 C (o λ) = 5.704 R2 = 0.9433

Y con ellos se obtiene una velocidad media de 5.06 [m/s]

Posteriormente, se analiza el viento durante el periodo coincidente con las mediciones de Nyumbani. Esto da lugar al siguiente gráfico, y los parámetros asociados:



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98

Figura30. Viento en periodo de solapamiento con Nyumbani. [6]

Con ello se obtienen unos parámetros:

K=2.179 C=7.188 R2 = 0.9588

Alcanzando una velocidad media de 6.36 [m/s]

Con los datos de velocidad, tanto anuales como del periodo común a las mediciones en Nyumbani, y conociendo la ecuación ECUACION v = F V se obtendrá el valor de F asociado a Garissa.



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99

Nairobi-Eastleigh

En Nairobi-Eastleigh también se localiza otra estación meteorológica. Ésta es, junto con Garissa, la más cercana a nuestro punto de estudio, Nyumbani. La distancia que los separa es aproximadamente 110 kilómetros.

Figura 31. Mapa Nairobi-Eastleigh – Nyumbani. [6]



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100

Los datos recogidos en esta estación, una vez realizado el mismo proceso que se ha utilizado para el análisis de viento tanto en Nyumbani como en Garissa muestran el siguiente aspecto:

Figura 31. Ajuste mínimos cuadrados rango anual de viento en Nairobi-Eastleigh [6]

Con estos datos, y su recta asociada



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101

Ec 40

Se obtuvieron unos parámetros K y C de su distribución Weibull asociada de valor:

K=2.122 C=6.1568 R2 = 0.979

Que ofrecen un valor medio de 5.45 metros por segundo de velocidad del viento.

Realizando lo propio con el periodo en el que se solapa con la estación de Nyumbani, se obtiene:



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102

Figura 32. Régimen de vientos ajustado por mínimos cuadrados para el periodo de solapamiento con Nyumbani [6]

De este modo, se obtienen unos valores de:

K=2.122 C=6.627 R2 = 0.979

Y su velocidad media asociada es 5.86 [m/s]

Análisis de todos los datos:

Después de este análisis de las velocidades tanto a nivel anual como estacional, se obtiene la siguiente tabla, que facilita la comprensión:



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103

Nairobi Nyumbani Garissa

Solapamiento 5,86 4,25 6,36

Anual 5,45

5,06

Factor F 0,93

0,79

Figura 33. Comparativa de resultados anteriores [6]

Y conociendo las distancias Nairobi-Eastleigh – Nyumbani, y Nyumbani-Garissa:

Nairobi-Nyumbani [km] 110

Nyumbani-Garissa [km] 241,66

Figura 34. Distancias a Nyumbani [6]

Aplicando la “regla de la palanca” aprendida en asignaturas como Materiales, con el diagrama Fe-Cm, se obtiene:



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104

Ec 41

Siendo

el factor F que multiplicará a la velocidad media hallada para el régimen de viento proporcionado por la estación meteorológica en Nyumbani

el facotr F asociado a la estación de Garissa, hallado anteriormente

el factor F asociado a la estación de Nairobi-Eastleigh, calculado anteriormente

distancia entre Nairobi-Eastleigh y Nyumbani

distancia entre Garissa y Nyumbani

Obteniendo de este modo un

Y, así, una velocidad media de 3.7815 [m/s]



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105

Determinación de la velocidad de diseño

Un criterio de diseño en este tipo de casos es que la velocidad de diseño del aerogenerador, es un valor que cumple:

Ec 42

Para realizar un estudio robusto, se cogió como criterio de diseño la peor opción, es decir, aquella en la que la velocidad de diseño sea peor. Esto se traduce en

Ec 43

De tal forma que se diseñará el aerogenerador con una velocidad de diseño de

Que será el punto de partida del diseño del Rotor, que está a continuación



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106

2.2 Rotor

Como se ha comentado anteriormente, para el diseño del rotor se ha seguido el procedimiento propuesto en el libro WINDPUMPING HANDBOOK FOR ENGINEERS. En él, para el diseño del rotor, se asume que la energía cinética del viento, que se puede traducir como potencia eólica absorbida por el aerogenerador (que es menor que la potencia total existente en el viento, por el límite de Betz) es igual a la potencia necesaria para bombear el agua. Esto, a pesar de no ser del todo cierto, ya que es necesario también aplicar potencia en mover toda la maquinaria, así como vencer los rozamientos de las diferentes partes móviles, es una hipótesis asumible ya que el principal gasto de potencia lo va a requerir el agua bombeada.

Se sabe que en el caso ideal se cumpliría la ecuación

Ec 44

La potencia hidráulica requerida, es el producto del caudal medio, multiplicado por la gravedad, la densidad del agua y la altura H que se pretende salvar (en este proyecto, esta altura corresponde al nivel freático, es decir, 30 metros)

Por otro lado, en el manual seguido se especifica que un rango de rendimientos aceptables y asumibles para la potencia hidráulica:



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107

Se ha escogido un rendimiento de valor intermedio, 85%.

Por otro lado, también se conoce la forma en la que el aerogenerador absorbe la potencia:

Ec 45

Siendo V la velocidad de diseño, A el área del rotor y β un factor de calidad.

Este factor de calidad se indica que se encuentra entre

Y además se cita en el manual que un valor aceptable de β es β=0.1

Pero es importante conocer el significado de este valor y no sólo aplicar la fórmula propuesta. Este factor de calidad o Quality Factor lleva implícito



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108

Ec 46

siendo

ρ la densidad del aire

y Cp un valor determinado. Éste valor fue estudiado por Betz, hallando su máximo valor, que es 0.59. Cuando en los apuntes se proponen valores de entre 0.05 y 0.12 en el fondo se está proponiendo diferentes valores de Cp; cuanto mejor sea el diseño del aerogenerador mejor debe ser éste valor.

= 0.05 lleva implícito un valor de Cp = 0.0819

= 0.12 lleva implícito un valor de Cp = 0.196

y el propuesto por el libro, que es un =0.1, da un valor al parámetro Cp de 0.1639

Este valor se puede asumir como correcto para este proyecto; para tener un orden de magnitud, en la actualidad el Cp de los aerogeneradores más modernos roza el valor de 0.5, y en este proyecto trabajando con unas palas de diseño sencillo este valor de Cp se asume como adecuado.

De esta forma, igualando ambas ecuaciones se puede hallar el área del rotor, y con ella el radio del rotor, parámetro de diseño fundamental.

]



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109

Una vez obtenido el radio del rotor, se puede continuar el proceso para obtener otros parámetros de diseño del rotor necesarios para su definición; el parámetro y la Cuerda o anchura del álabe.

Para estos cálculos son necesarias ciertas hipótesis asumibles

En primer lugar, el parámetro CL se asumirá como constante para este diseño.

Por otro lado, existe un parámetro λ que relaciona la velocidad del viento con la velocidad de giro del rotor y su radio. Para los molinos destinados a bombeo de agua, este parámetro suele variar entre 1 y 2. En este caso, como el diseño es personal, se ha elegido un parámetro de λ=1.

Por otro lado, la tabla mostrada a continuación relaciona el parámetro λ escogido anteriormente con el número de álabes o palas (B) del aerogenerador.

Figura 35. Parámetros de diseño del aerogenerador. [9]



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110

Para el diseño del molino, como el parámetro λ=1 ofrece un rango de álabes que varía entre seis y veinte, a elección del diseñador, se eligió un número total de 20 álabes. Se eligió el mayor número de álabes ya que, cuanto más álabes tenga el rotor, menos ancha ha de ser la cuerda de los mismos, y por lo tanto más fácil será su fabricación (enlazando esta idea con el concepto de tecnología apropiada)

Además de todo lo anterior, antes de los cálculos del ángulo β y la Cuerda, es necesario definir el tipo de pala que se empleará en el aerogenerador.

Para ello, se muestra en el manual la tabla siguiente:

Figura

36. Parámetros de diseño del aerogenerador. [9]



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111

La primera columna muestra qué tipo de sección del álabe se desea. De arriba abajo, la complejidad va en aumento. Se empieza con una pala bastante plana, y se termina con un diseño mucho más sofisticado. Como este aspecto también es un criterio de diseño, se escoge el diseño intermedio, ya que no es un problema demasiado complejo para la tecnología de Nyumbani.

Esta elección implica las relaciones entre CD y CL, así como fija el valor del parámetro α y el valor de CL.

Una vez seleccionados todos los parámetros anteriores, se procede de la siguiente forma:

En primer lugar, se dividirá el álabe en varias partes según la longitud total de las mismas, esto es, el parámetro r irá recorriendo el álabe o radio (R) desde un valor pequeño, 15%, hasta el final, 100%, que indica que se está en la punta del álabe.

% del Radio Radio r

15 5,557 0,833

30 5,557 1,667

45 5,557 2,500

60 5,557 3,334



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112

Figura 37. Porcentaje recorrido del álabe. [6]

Además, el parámetro λr, que es un parámetro de valor igual al porcentaje de recorrido del álabe en %, cumple lo siguiente:

Ec 47

De tal forma que, conocido , se puede despejar el valor del ángulo

Ec 48

75 5,557 4,168

90 5,557 5,001

100 5,557 5,557



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113

Obteniendo la siguiente tabla de ángulos para los diferentes valores de o porcentaje de álabe recorrido

% del Radio φ (rad) φ (grad)

15 0,947 54,312

30 0,852 48,867

45 0,765 43,848

60 0,686 39,357

75 0,618 35,420

90 0,558 32,000

100 0,523 30,000

Figura 38. Ángulo φ obtenido [6]

Una vez llegado este punto, la relación entre el ángulo β, α y ϕ es la siguiente:

Ec 49



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114

Realizando esta ecuación en toda la longitud de la pala, se obtiene el rango de valores del ángulo β, a lo largo del álabe.

% del Radio radio β

15 0,833 50,312

30 1,667 44,867

45 2,500 39,848

60 3,334 35,357

75 4,168 31,420

90 5,001 28,008

100 5,557 26,000

Figura 39. Parámetro β a lo largo del álabe [6]

Hallando así los valores del ángulo β a lo largo del álabe.

El último parámetro de diseño que falta para el rotor es la anchura o cuerda del álabe a lo largo de su longitud.

El manual proporciona también una ecuación que caracteriza el ancho del álabe en función del ángulo ϕ. Como este ángulo ϕ varía a su vez con la distancia recorrida del



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115

álabe, se concluye que esta ecuación relaciona la anchura del álabe, o cuerda, con la distancia recorrida del álabe.

Ec 50

Se obtiene de esta forma el ancho o cuerda del álabe a lo largo de su longitud:

% del Radio radio Cuerda

15 0,8336 0,396

30 1,667 0,651

45 2,5008 0,796

60 3,334 0,863

75 4,168 0,881

90 5,001 0,868

100 5,557 0,850

Figura 40. Cuerda a lo largo del álabe [6]



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116

2.3 La bomba

La bomba es el elemento encargado de impulsar el agua hacia arriba. Para el diseño del aerogenerador, se eligió una bomba de pistón, ya que es el procedimiento típico n las aplicaciones de bombeo por energía eólica.

El método empleado también ha sido sacado del manual que se ha seguido durante el Proyecto, y se ha realizado de la forma siguiente:

Ec 51

La potencia mecánica, extraída del aire, se calcula como la mitad de la densidad del aire, multiplicada por el coeficiente Cp, el área del rotor, el cubo de la velocidad, y ponderado con un rendimiento mecánico.

Ésta es la potencia que se encuentra disponible para el bombeo de agua.

Por otro lado, se trata de escribir la potencia hidráulica o requerida, en función del volumen que ocupe la bomba.

El volumen de la bomba viene definido por el área del pistón y la carrera S



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117

Ec 52

Figura 41. Volúmen de la bomba [6]



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118

Figura 42. Esquema de la bomba. [9]

La carrera S es el doble del brazo que tenga el eje del rotor, que se ilustra en el siguiente gráfico:

Figura 43. Esquema general del aerogenerador sin la torre. [9]



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119

Como se puede apreciar, definiendo un valor al parámetro r del gráfico, se puede obtener S, o carrera del pistón, cuya relación es:

Ec 53

Un valor aceptado, ya que está dentro de los habituales rangos para no generar un mecanismo superior del molino muy voluminoso, es r = 0.3 metros.

Esto da un valor al parámetro S, carrera del pistón, de S=0.6 metros.

De esta forma, definiendo la potencia hidráulica o demandada, en función de los parámetros S y Área del pistón Ap

Ec 54

Utilizando esta ecuación anterior y, observando del manual

Ec 55



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120

Se conocen todos los datos excepto el área del pistón.

De esta forma, se obtiene el área del pistón, resultando un área de 0.028 m2 o lo que es lo mismo, un radio de 95.98 milímetros.

2.4 Transmisión

En el sistema de transmisión, es la barra la encargada de mover el pistón, que está desplazando la masa de agua, en todo su recorrido. Este sistema, como se ha dicho anteriormente, se dimensiona desde el punto de vista de resistencia mecánica, y no desde el punto de vista de gasto de potencia. Se considerará que el trabajo necesario para su desplazamiento es mucho menor en comparación que el trabajo necesario para desplazar la columna de agua. Esto se puede asumir si el material con el que se construya es relativamente ligero, y suficientemente resistente. El material que puede cumplir estas características es el aluminio, desechando el empleo de acero por su excesivo peso.

En un principio de estimó un posible diseño del sistema como una cuerda que uniera el rotor con el pistón, ya que el esfuerzo mecánico que soporta el sistema de transmisión es de la forma



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121

Figura 44. Esfuerzo-tiempo en la transmisión. [6]

A priori, uniendo el eje del rotor con una cuerda al pistón, y añadiendo un pequeño peso en el pistón para mantener tensa la cuerda, podía parecer una solución. Estudiando el caso se encontraron posibles problemas debidos al pandeo, de tal forma que se descartó la solución de la cuerda por su poca fiabilidad. Sería necesario un estudio empírico de su funcionamiento para poder ver si realmente funciona, ya que parece poco probable.

Por ello, y continuando con los diseños propuestos por el libro que se ha seguido, se procedió al cálculo del sistema de transmisión con una barra de aluminio, del mismo modo que se indica en el manual.

Para el estudio de las fuerzas que ayudarán a dimensionar este apartado, hay que tener en cuenta dos cosas:

- Existen fuerzas por el propio peso de la columna de agua. Fuerzas estáticas

- Las fuerzas dinámicas se dan por el movimiento y los cambios de velocidad de la citada columna de agua. No se pretende modelar el comportamiento de esas fuerzas a lo largo del tiempo, ya que eso de por sí podría ser temario suficiente



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122

como para un Proyecto final de carrera. El criterio de dimensionamiento será elegir la máxima fuerza que provoquen estas inercias dinámicas, y, con este valor máximo, dimensionar. En el fondo se está mayorando, cosa que no es mala del todo ya que dará robustez al dimensionamiento. A continuación se realizará un estudio a fatiga para comprobar la vida útil de la barra.

Fuerzas estáticas

Las fuerzas estáticas vienen determinadas por el peso de la columna de agua, esto es:

Ec 56

Siendo

ρagua = 1000 [kg/m3 ]

g gravedad

H altura de bombeo. En el caso del diseño de este proyecto, ya se ha explicado que son 30 metros

Apistón ha sido objeto de estudio en el apartado anterior

Las fuerzas dinámicas son más complicadas en la realidad de lo que aparecerán a continuación. Se hará una simplificación y se modelarán proporcionalmente a la fuerza estática. Esta aproximación será válida ya que luego además de utilizará un factor de seguridad K que dará robustez al diseño.



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123

Ec 57

Siendo

área del pistón (anteriormente claculada)

área “rising main” es decir el área que realmente es el área efectiva por la que fluye el agua. Esta área es la diferencia entre el área del pistón, Ap, y el área del vástago, que será objeto de estudio en este apartado.

K valor comprendido entre 1.5 y 2; factor de seguridad que mayora la fuerza.

Agrupando ambas fuerzas con su factor común, queda una expresión compacta de la fuerza con la que se modelará el sistema de transmisión. Esta fuerza resulta ser:

Ec 58

Siendo

el valor de la fuerza estática anteriormente calculado

K el factor de seguridad

el área del pistón

el área del vástago



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124

S carrera

velocidad angular de giro del rotor

Ahora, el procedimiento para calcular el área del pistón es la siguiente:

Ec 59

De tal forma que, cuanto mayor sea el valor de σ, menor área de vástago será necesaria. Cuanto menor área tenga el vástago, mayor será el flujo de agua que recorre la columna, pero a su vez mayor será el peso que ejerce. Por lo tanto se trata de un compromiso entre varios elementos, de tal forma que se hallará el área de vástago mínima, dejando la posibilidad de aumentarla por motivos de seguridad aunque sabiendo que eso hará que disminuya el flujo de agua.

Para hallar el área, se seleccionará un material que dará el valor de σ.

Este material es el aluminio, que es un material con un buen balance resistencia-peso.

Un buen aluminio es del grupo 5000. Estos aluminios tienen genéricamente un rango de

σ admisible que oscila entre 120 y 435 MPa

Se escogerá un tipo de aluminio intermedio del grupo 5000 que cumpla:

σlímite = 350 MPa



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125

de esta forma, mediante un proceso iterativo se puede observar cuánta es la fuerza ejercida y cuánto puede aguantar el sistema de transmisión. A su vez, cuanto más pequeña sea el área, con más tensión trabajará, por lo que resistirá menos ciclos, y viceversa.

De esta forma, se obtiene un radio del vástago de 10 milímetros.

Con este radio de vástago, el sistema de transmisión trabaja a una tensión de 111MPa.

Análisis de fatiga de la transmisión

Con ayuda de la siguiente curva s-n, se hallará el número de ciclos que puede funcionar este sistema (Análisis de fatiga)



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126

Figura 45. Curva s-n aluminio. [6]



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127

De esta forma, se obtiene que el número de ciclos que puede estar en funcionamiento hasta rotura es de

Este número de ciclos, sabiendo que ωrotor = 0.8 [rad/s] se traduce en

22 días

Si se aumenta el área del vástago, el número de días de utilización aumentará.

Por ejemplo, aumentando el radio al doble, es decir, 2 centímetros, a pesar de que el coste del sistema de transmisión aumentaría ya que se precisa más material, según la gráfica s-n tendría vida infinita, ya que estaría trabajando a una tensión de apena 27 MPa.

Nótese la diferencia entre la primera tensión estudiada, color rojo y línea fina, y la segunda, color azul y línea gruesa.



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128

Figura 46. Curva s-n aluminio [6]



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129

Análisis a Pandeo

Finalmente, para terminar este apartado, se analizará a pandeo el sistema.

Para este estudio, se demuestra según el manual, que se viene utilizando en este proyecto, la ecuación

Ec 60

Siendo

S carrera del pistón

ω velocidad angular

g gravedad

esta fórmula se comprueba fácilmente ya que los valores de S y ω son 0.6 y 0.8 respectivamente, siendo la gravedad 9.8.



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130

2.5 Torre

La torre es la parte del aerogenerador que soporta las cargas más fuertes. Estas cargas están compuestas por el propio peso de la torre, el peso de la góndola, la fricción del aire a su paso por la torre, y la fuerza que ejerce el viento a su paso por el rotor.

Como se mencionó anteriormente, existen diferentes configuraciones de torre, eligiéndose para este proyecto un diseño en configuración de celosía. Se ha elegido este tipo ya que por un lado es el más barato de los tipos de torre, este diseño es adecuado para la aplicación a la que se destina, y la tecnología y materiales necesarios para llevarlo a cabo están al alcance de los recursos de Nyumbani.

Para el diseño de este apartado, se han hecho ciertas simplificaciones:

- El peso de los elementos de la góndola no se tendrá en cuenta - El peso propio de la torre tampoco se tendrá en cuenta

De tal forma que el criterio de diseño se basará fundamentalmente en la fuerza del viento; tanto en la estructura de la torre (que jugará un papel menor) como en el rotor (de mayor importancia)

Las dimensiones de la torre son las siguientes: 25 metros de altura, y 2.5 entre columnas. Estos diseños se han basado en diseños razonables:

- La altura corresponde a una altura normal para torres de celosía, pudiendo ser incluso todavía más alta



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131

- La anchura supone un compromiso entre la base (cuanto más ancha sea,

mejor) y la parte superior de la torre (no interesa que sea excesivamente ancha)

A continuación se muestra una gráfica de cómo se ha configurado la torre:

Figura 47. Diseño de la torre, celosía [6]

Siendo



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132

U1 la suma de: la fuerza que hace el viento en el rotor más la fuerza que hace el viento en el tramo de torre entre U1 y U2

U2 la fuerza que el viento ejerce en el tramo de torre entre U2 y U3

U3 es la fuerza que el viento ejerce entre este punto y el suelo

R1, R2, R3, R4 son las reacciones que se producen en el suelo. A priori, será el lugar donde se concentren los mayores esfuerzos. Se distinguen por colores para separar entre verticales y horizontales.

Fuerza del viento en el rotor

La fuerza que el viento ejerce en el rotor se produce por su fricción con los álabes en el camino que recorre atravesando el rotor. En la realidad, el viento no sopla uniformemente, sino que es desigual, incluso con rachas que provocan grandes cambios de presión o velocidad de un punto del rotor respecto a otro. En la imagen siguiente, sacada de los apuntes de Energías Renovables, se aprecia

a) Caso ideal b) Hipótesis con la que se trabajará c) Caso real



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133

Figura 48. Régimen de viento [7]

De tal forma que la expresión que regirá la fuerza que el viento ejerce al rotor viene dada

por la fórmula:

Ec 61

Siendo V la velocidad del viento incidente en el infinito aguas arriba del rotor

Demostrándose que el valor máximo se alcanza cuando el valor de a llega a su límite,

Ec 62

Obteniendo la expresión de la componente de U1 debido a la fuerza del viento en el rotor:



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134

Ec 63

Fuerza del viento en la torre

Como se ha expuesto anteriormente, la modelización del viento se hará de la forma:

Figura 48. Viento que ve el aerogenerador [7]



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135

Un modelo matemático para el viento es:

Mediante el estudio de aerodinámica, integrando la energía que tiene el viento puede modelarse como:

Ec 64

Que explica que la energía y la fuerza que transmite el viento a la torre es producto de su densidad, la velocidad al cuadrado, la longitud L de la torre, y D sería el diámetro si la torre fuera de un solo mástil. El producto de L y D dimensiona el área que ve el viento a su paso por la torre, de tal manera que cuanta más área sea capaz de ver, mayor será la fuerza que transmite a la torre, y viceversa.

Si se opera esta expresión anterior, se puede llegar a obtener un diferencial de Fuerza, expresando la velocidad V en función de la altura, multiplicada por una serie de factores; coeficiente Cd, diámetro D que ve el viento (que resulta ser 2 veces el diámetro de una columna), coeficiente del viento, y densidad del aire.



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136

Ec 65

Y operando la expresión anterior se llega a expresar la fuerza F del viento en función de la altura Z a la que se encuentre:

Ec 66

De tal forma que, integrando esta expresión entre los tres tramos en los que se ha dividido la torre (0-8.33, 8.33-16.66, 16.66-25) [m] se obtienen las expresiones de la fuerza del viento en los tres tramos, que se asociarán a U3, U2 y U1 respectivamente.

Con estas medidas de fuerza de viento, unidas a la fuerza aplicada en el Rotor, según la siguiente imagen, se obtiene:



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137

Figura 49. Torre del diseño [6]

U1 752.48

U2 0.14

U3 0,08

Figura 50. Fuerzas que actúan en la torre [6]

De tal forma que, aplicando los conocimientos de Elasticidad y Resistencia de materiales y Teoría de Estructuras y construcciones industriales, se obtienen las reacciones en el suelo. A priori se pensó que sería el lugar crítico, y, efectivamente, así se demuestra.



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138

Figura 51. Reacciones en el suelo de la torre [6]

De esta forma, se obtienen las fuerzas a tracción o compresión a las te trabajarán las componentes en contacto con el suelo.

Aplicando la ecuación

Ec 67

Siendo

F fuerza normal o axial

tensión que soporta la barra

A área de la barra

Se elige el elemento de mayor tensión, y para ese elemento de dimensiona la barra.

Según la tabla anterior, la mayor fuerza axial tiene de valor 7526.07 Newtons.

R1 -7526,07

R2 0,14

R3 7526,07

R4 752,57



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139

Para éste valor, suponiendo el material de las barras acero (con un =1600 [kg/cm2] se realiza un proceso iterativo, siendo un compromiso entre:

- cuanto mayor sea el área, mayor será la fuerza capaz de soportar, pero más costará la fabricación de la torre, en términos económicos.

- cuanto menor sea el área, a mayor tensión superficial estará trabajando la estructura, pero menor será el coste de la torre.

De tal forma que se determina una sección circular de 7.06 cm 2.



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140

Capítulo 3 ESTUDIO ECONÓMICO

En este apartado se pretende hacer un pequeño balance económico, sopesando la posibilidad de instalar el aerogenerador diseñado, y otras opciones válidas, a fin de tener en mente un orden de magnitud de cada opción, eligiendo preferiblemente la más económica.

Este aerogenerador se ha diseñado para el bombeo de agua en una zona rural aislada, de tal modo que las opciones alternativas que se contemplan para esta aplicación son:

- bombeo con bomba eléctrica, que recibe la energía de un generador diesel - compra de otro aerogenerador a algún fabricante - fabricación del aerogenerador que se ha diseñado en este proyecto a) Bomba eléctrica apoyada por un motor diesel

En este apartado se estudia qué coste supondría el bombeo de agua a través de una bomba eléctrica, cuya electricidad es provista por un generador diesel.

http://www.bombasymotores.es/WebRoot/ce_es/Shops/178511/4798/6C67/CA36/690B/9828/3EC1/CD19/9A53/multi35n.pdf

Bomba (5 KW): 404 euros



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141

Generador: GENERADOR DIESEL ITCPOWER DG6000SE 1155 euros (6.3KW)

Diesel a emplear:

Consumo a (14/13) litros por hora.1 hora de funcionamiento al día.

Total:

404 + 1155 + (14/13) * 1.4 * 365 + 3000 = 5109 euros

Se ha considerado el consumo de un año de diesel, pero en realidad el coste de este sistema sería mayor ya que el consumo de diesel es constante a lo largo de todo el ciclo de vida de la bomba.

Además esta opción acarrearía otros problemas como contaminación, ruido, que no se han tenido en cuenta en el diseño del proyecto ya que no los acarrea, pero esta opción sí que provocaría estos problemas.

b) Compra de aerogenerador

Otra opción es la de comprar un aerogenerador ya fabricado por otra compañía. Esta opción no traería beneficios a la comunidad, tales como el conocimiento de nuevas tecnologías, o aprender nuevos oficios, por ejemplo.

Un fabricante de aerogeneradores especializado en África es la compañía Kijito, que puede ofrecer un amplio rango de aerogeneradores. Los más pequeños rondan los 2100 dólares, siendo los más grandes (los más parecidos al nuestro) de unos 12670 dólares.

http://todoengeneradores.com/epages/ea8719.sf/es_ES/?ObjectPath=/Shops/ea8719/Products/DG6000SE



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Por lo tanto, se podría estimar que el coste de adquisición de un aerogenerador Kijito se sitúa en los 10.000 dólares, aunque ésta sería una inversión a largo plazo ya que el fabricante asegura una calidad de 20 años mínimo.

c) Fabricación del aerogenerador

Con la ayuda de la página web www.indexmundi.com que ofrece una información detallada de los precios de los materiales, se podría hacer un cálculo del coste de las principales partes del aerogenerador.

Gracias a los cálculos anteriores, se puede estimar la cantidad de material a emplear, dejando la fabricación a los respectivos trabajadores de la aldea de Nyumbani (carpinteros, chapistas...)

El actual precio del acero laminado en el mercado internacional ronda los 800 euros por tonelada métrica. El precio del aluminio, unos 2048.

Sabiendo las dimensiones que se han estimado para la estructura y para la transmisión, que de acero se precisará alrededor de 0,218 metros cúbicos, y de aluminio unos 0.0378 metros cúbicos, y conociendo ambas densidades (7850 kilogramos por metro cúbico para el acero y unos 2700 para el aluminio) se obtienen unas cantidades de aproximadamente:

El coste del acero a emplear ronda los 1370 dólares, y el del aluminio unos 209.01.

http://www.indexmundi.com/



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El coste de mano de obra es inexistente, ya que los propios trabajadores de Nyumbani se encargarían de este trabajo, aprendiendo así un oficio, y ganando “capital humano”, factor que en ninguna otra opción se puede contemplar. Las palas se podrían hacer de madera con un revestimiento de barniz para evitar su desgaste por el clima, de tal forma que serían bastante ligeras y podrían cumplir su función de una forma aceptable. El precio de esta parte es algo que no se puede calcular aún ya que haría falta seguir dimensionando la pala y dar un valor a su espesor. Una bomba hidráulica puede costar unos 200 euros en el mercado aproximadamente, dependiendo de la calidad que se busque y si es nueva o de segunda mano.

Por todo ello, el coste de fabricación del aerogenerador estaría en torno a los 1780 dólares no teniendo en cuenta el coste asociado a los álabes, pero a su vez sin contar con, como ya se comentó, el capital humano que adquiere la aldea. Por todo ello, la opción contemplada sería la de la construcción del aerogenerador.



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Capítulo 4 IMPACTO AMBIENTAL

El estudio del impacto ambiental es una parte importante de este proyecto. Se trata de una parte objeto de análisis ya que el aerogenerador se ha diseñado para una zona en la que el ecosistema se encuentra en estado salvaje. La aldea de Nyumbani se encuentra lejos de carreteras principales, y bastante lejos de cualquier núcleo urbano. Por ello, su ecosistema es el típico de Kenia, sin demasiadas alteraciones. En el aspecto vegetal sí que hay alteraciones, ya que la aldea está rodeada de zonas de cultivo cercanas, utilizadas por los propios habitantes para la producción de frutos, pero tanto animales terrestres como animales cuyo medio es el aire, como pájaros, no han sido alterados. Por ello se estudiará qué animales hay más probabilidades de que se vean afectados por la implantación del molino, y posibles remedios para evitar, en la medida de lo posible, que les afecte. En primer lugar, se caracterizará qué tipo de ecorregidor es el que se adjudica a la zona de Nyumbani, y posteriormente, en función del tipo, se analizarán las especies que en él habitan.

Ecorregidor: Se denomina ecorregidor a aquella zona relativamente grande de superficie, que tiene unas características únicas y comunes en toda su extensión: geología, clima, suelos, fauna, flora, e hidrología. El Fondo Mundial para la Naturaleza, o más conocido como WWF – World Wildlife Fund, ha dividido a Kenia en 12 tipos de ecorregidores, asignando a la zona de Nyumbani una mezcla entre

a) Sabana arbustiva de Kenia

b) Sabana arbustiva de Tanzania.



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a) Sabana arbustiva de Kenia

La sabana arbustiva de Kenia es una ecorregión situada en el sur-suroeste de Kenia, en la frontera entre este país y Tanzania.

Figura 52. Mapa Kenia-Tanzania. [11]

Se caracteriza por una configuración semiárida, ocupando aproximadamente una superficie de 326 mil kilómetros cuadrados del noroeste al sur de Kenia. Su extensión no se limita a Kenia, sino que traspasa la frontera llegando a caracterizar también el nordeste de Tanzania.



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El clima podría ser definido como tropical estacional. Se pueden apreciar dos estaciones lluviosas, la más importante de las dos suele ocurrir entre marzo y junio; y la otra estación entre octubre y diciembre.

Las lluvias son muy variables todo el año, produciéndose con relativa frecuencia épocas de sequía. De aquí que, como se analizó anteriormente, no sea una buena solución hacer depender a toda una aldea de la climatología mediante el abastecimiento de agua por depósito. Además en esta zona de África son comunes los incendios, debido a las épocas de tanta sequía y ausencia de lluvias.

Las precipitaciones que se registran en esta zona suelen abarcar desde los 200 mm al año hasta los 600 mm.

Fauna

En esta zona de Kenia, la diversidad es muy elevada.

Las especies más destacables pertenecen a la familia de los ungulados (mamíferos que se desplazan apoyando su peso en el extremo de los dedos o, si son descendientes de animales con pezuñas, utilizando éstas para cargar ahí su masa. Los principales exponentes son:

- cebra de Grevy (Equus grevy)

- Orix de beisa

- Gacela jirafa o gerenuk



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- Kundú o Tragelaphus imberbis

- Rinocerontes negros (los últimos de su especia se encuentran en esta región)

Prevención:

Para evitar en la medida de lo posible la interacción del aerogenerador con estas especies, se han buscado las siguientes soluciones:

- Mantener la zona de la base del aerogenerador libre de hierbas o cultivos, para evitar que los animales sean atraídos por una fuente de comida. Esto se puede hacer mediante cimentación, con un mantenimiento periódico para supervisar la superficie, y eliminar posibles plantas que intentes crecer en esta zona.

- Valla metálica para evitar el paso de estos animales. Debido a las características de las especies anteriores, la valla no debería ser inferior a 1.5 ó 2 metros. Una buena medida para evitar su proximidad también es la instalación de alambre de espino en la valla, de modo que el contacto de los animales con la misma provoque un rechazo, evitando así que animales como el rinoceronte puedan apoyarse o rascarse con algún poste y lo rompan. Además el sistema lo más normal es que tenga algún tipo de fuga de agua; esta fuga dé lugar a un charco y este charco sea un foco de animales sedientos buscando agua.

- Supervisión y mantenimiento para evitar marcas. Muchos de los animales anteriores son territoriales, especialmente en la época de celo. Por ello, pueden dejar marcas como la orina en la valla anteriormente mencionada. Esto puede actuar de reclamo para otros animales, movidos por el olor, que posiblemente quieran inspeccionar la zona donde estén detectando olor o incluso marcar nuevamente con orina el territorio, por lo que el aerogenerador sería un punto de interés de los animales. A su vez, también puede ser un lugar atractivo para los pájaros, ya que pueden ver el aerogenerador un buen lugar donde instalar su nido. Por esto se precisa una labor de mantenimiento, para evitar que cualquier animal pueda impregnar su olor en la zona o instalarse en la estructura.



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Flora

En esta zona la vegetación predominante es la sabana arbustiva, cuyos máximos exponentes son los géneros de Acacia, Commiphora y Boswellia.

Además de estas especies, la zona de Nyumbani está rodeada de campos de cultivo, que también formarán parte de la flora de su ecosistema.

Prevención:

- Por un lado, se evitará tener árboles cercanos al aerogenerador. Si hay árboles en las proximidades, pueden hacer efecto “estela” en el viento de tal forma que disminuyan su energía cinética y el aerogenerador no pueda absorber toda la energía. Por otro lado, árboles como las acacias pueden ser beneficiosos para mantener a los animales alejados (siempre a una distancia no menor de 250 metros) ya que son capaces de liberar una sustancia química si se sienten atacados que es dañina, llegando a ser mortal para ciertos animales. Algunas jirafas han muerto al comer hojas de acacia.

- Por otro lado, se evitará tener colonias de insectos en las proximidades; como avispas, abejas, hormigas, o termitas. Se evitará su presencia ya que puede menoscabar el funcionamiento del aerogenerador con el tiempo, debido a su necesidad de crearse un refugio, y por otro lado porque su población puede verse afectada por el aerogenerador.

b) Sabana arbustiva de Tanzania

http://es.wikipedia.org/wiki/Acacia

http://es.wikipedia.org/wiki/Commiphora

http://es.wikipedia.org/wiki/Boswellia



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La sabana arbustiva de Tanzania es una ecorregión definida por el WWF, que se extiende por África Oriental, entre Tanzania y Kenia. Esta ecorregión forma parte de la región denominada sabana de acacias de África Oriental.

Su localización se sitúa entre el sur-suroeste de Kenia y el Norte de Tanzania.

Su flora es similar a la anteriormente analizada; pero la fauna cambia bastante.

Fauna

Existe una alta concentración de grandes mamíferos, extraordinaria comparada con el caso anterior. Esta ecorregión es escenario de grandes masas migratorias, destacando la del ñu, más concretamente el ñu azul. Junto con éstos (que forman más o menos un millón de ejemplares), también se producen las migraciones de cebras comunes y gacelas Thompson, pero ambos dos en menor cantidad que el ñu. El número de cebras ronda los 200.000 ejemplares y las gacelas están un poco por debajo del medio millón de cabezas.

Por ello, la población de depredadores también es elevada. En esta zona se dan la hiena manchada, el león, el leopardo, el guepardo y el licaón o perro salvaje.

Prevención

- Como se ha comentado anteriormente, la instalación de una valla evitará el contacto de estos animales con el aerogenerador. Si la valla resulta estar dotada de elementos evasivos como pinchos, será mejor ya que los animales no se acercarán.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ecorregi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/World_Wide_Fund_for_Nature

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81frica_Oriental

http://es.wikipedia.org/wiki/Tanzania

http://es.wikipedia.org/wiki/Kenia

http://es.wikipedia.org/wiki/Sabana_de_acacias_de_%C3%81frica_Oriental



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- Al igual que anteriormente, si se evitan los olores de especies en la zona circundante hay menos posibilidades de convertir el aerogenerador en una zona de interés para las especies de animales.

- Al existir depredadores, también se deberá evitar que en el interior del recinto exista algún animal muerto. Pueden aparecer pájaros, ya que es posible su muerte por impacto contra el aerogenerador, así que se deberá supervisar periódicamente la zona de la baje del aerogenerador y retirar posibles animales muertos que estén en su interior.

- En ambos tipos de ecorregidor, también existen pájaros. Las aves, como se ha mencionado apenas unas líneas antes, son una de las especies que más sufren la instalación de un aerogenerador debido a que suelen obviar su presencia y es relativamente frecuente su impacto contra la torre o el rotor provocando su muerte instantánea o graves lesiones que provocan su muerte en un plazo posterior.

Para evitar esto, una buena medida es pintar tanto la torre como el rotor y la góndola de algún color vistoso y poco frecuente para los pájaros, de tal forma que puedan reconocer este objeto fácilmente y evitarlo en su trayectoria. Se conoce que las aves pueden llegar a reconocer al molino y evitarlo, de tal forma que la idea de pintarlo ayudaría a que sea fácilmente reconocible.

Todo lo anterior se puede resumir en un elemento universal utilizado en los estudios de impacto medioambiental, la Matriz de Leopold



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Figura 53. Matriz de Leopold [6]

Mediante el análisis de la Matriz de Leopold de la página anterior, se pueden obtener las siguientes características:

- La calidad del agua no se ve afectada. El aerogenerador que se va a emplear no se dedica a contaminar el agua, simplemente extraerla. Para evitar la contaminación, no se emplearán materiales como el plomo, y los elementos que estén en contacto con el agua han de ser no oxidados por el agua.

- Los suelos se ven afectados por la construcción del proyecto. No tanto por su morfología, que permanecerá más o menos constante, ya que no se va a remover la tierra excesivamente, o a mezclarla con otros elementos (como arcillas, o arena) sino porque su capa superficial sí que cambiará, ya que dejará de albergar plantas o árboles para estar ocupada por cimentaciones que aseguren a la torre.

- También se verán afectados los animales, especialmente los que están en peligro de extinción. Por ello, se deberán tomar las medidas anteriormente mencionadas y todas aquellas destinadas a la no interacción con el mundo animal.

El volumen de agua extraído por el molino en un año, aproximadamente 23725 litros, necesitará una superficie de 38 metros cuadrados para reponer el agua que extrae, ya que el nivel medio de lluvias es aproximadamente de 0.63 metros cúbicos al año (a pesar de tener épocas de sequía, las lluvias y monzones estacionales elevan la media de agua caída por la lluvia)



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Capítulo 5 FUTUROS DESARROLLOS

Este proyecto nació desde Energía sin Fronteras para empezar a diseñar un aerogenerador como solución al problema del abastecimiento de agua en la aldea de Nyumbani. Por ello, se han estudiando las principales partes, los componentes más importantes, pero todavía queda un amplio rango de elementos que han de ser estudiados.

Para empezar, se debería esperar a tener un número mayor de medidas de viento. La estimación de unos meses para el diseño es una válida primera aproximación, pero se debería medir el viento durante un periodo de varios meses, incluso varios años, antes de la instalación del aerogenerador.

Por otro lado, el estudio del nivel freático también debería incluir alguna prueba en el mismo emplazamiento, ya que aunque los mapas son aceptables, con un ensayo en la misma aldea se tendría una certeza mejor del nivel del agua. También se podría observar si existe algún impedimento especial, como puede ser una capa de tierra especialmente dura, o por el contrario descubrir algún lugar con una gran penetrabilidad.

Por otro lado, también se debería empezar a formar a algún habitante de la aldea del funcionamiento y mantenimiento del sistema. Con una persona ya formada desde el primer día, su supervisión sería más fácil, y no habría que esperar un tiempo desde su instalación hasta que se pueda delegar toda la responsabilidad en un operario, porque su periodo de formación no haya concluido.

Se añade a modo de observación que sería interesante construir también un depósito, para almacenar el agua que sobre. Este depósito, a parte de los filtros que se le suponen (de arena principalmente) debería tener algún tipo de sistema contra los insectos, para evitar



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que puedan criar larvas en esta agua. En principio toda el agua que sea bombeada será utilizada, pero en periodos como el nocturno al no ir nadie a recoger esa agua por estar descansando, se debería poder almacenar para que no se pierda.



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Capítulo 6 BIBLIOGRAFÍA

Internet

[1] Banco Mundial www.bancomundial.org

[2] ONG nyumbani www.nyumbani.org

[3] FAO www.fao.org

[4] Universidad Pontificia de Chile www.uc.cl/

[7] Universidad pontificia de Comillas www.upcomillas.es

[8] Google Earth www.google.com

[10] Structuralia www.structuralia.com

[11] Google Maps www.google.com

www.minetur.gob.es

http://www.nae.edu/

http://datos.bancomundial.org/pais/kenya

http://www.asminternational.org

http://www.abengoa.es/corp/web/es/index3.html

www.gamesa.es www.windpower.org

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Libros

[5] E. H.Lysen, “Introduction to Wind Energy”, Amersfoort, Holanda, mayo-1983

[7] Universidad pontificia de Comillas, apuntes de Energías Renovables (2011-2012), Resistencia de Materiales (2009-2010), Cálculo de estructuras (2010-2011), Cálculo (2005-2006), Mecánica de Fluidos (2008-2009).

[9] WIND RESOURCES, J.A. de Jongh & R.P.P. Rijs, editors, Marzo 2004

Libro Energía Eólica, Pedro Fernández Díaz http://libros.redsauce.net/

P.T. Smulders “Windpumping Handbook for engineers”, Holanda, 1983

DESARRO DESARROLLO HUMANO Y COOPERACIÓN

http://libros.redsauce.net/



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INTERNACIONALLLO HUMANO Y COOPERACIÓN INTERNACIONAL

diseño preliminar de un sistema eólico para bombeo de agua ... · relación con la obra diseño...

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