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Desarrollan IPN y Cinvestav turbina eólica de uso residencial

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Un prototipo de aerogenerador de uso residencial que cuenta con un diseño de doble paleta y con la capacidad de producir 800 watts a 12-15 m/s fue desarrollado
por un equipo multidisciplinario de investigación del Instituto Politécnico Nacional (IPN). El prototipo en fase final de desarrollo fue probado en el túnel de viento responsable de generar el Patrón Nacional de Velocidad del Aire.
 
El aerogenerador de doble paleta —rodete contragiratorio— está pensado para operar de manera complementaria a los calentadores solares, cada vez más comunes en las casas habitación, y disminuir aún más el consumo de energía eléctrica derivada de fuentes no renovables, aprovechando las fuentes naturales existentes en el país —energía solar y eólica.
De acuerdo con el doctor José Antonio Urbano Castelán, profesor investigador del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav), el desarrollo tecnológico cuenta con un innovador diseño —mecánico y estructural— planeado para las características de viento en las zonas altas del Valle de México y del territorio nacional en general, que aprovecha al máximo los flujos de viento para generar energía.
El investigador explicó a la Agencia Informativa Conacyt que el prototipo se encuentra en una fase final de diseño que ya se ha sometido a pruebas de funcionamiento en el túnel de viento del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (Labinthap), de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME Zacatenco). Esas pruebas permitieron realizar algunas mejoras previas a su producción comercial.
 
Las entrañas del aerogenerador
Revisando la literatura científica, el investigador encontró que la mayoría de las turbinas horizontales cuenta con un solo rotor con tres paletas; sin embargo, también encontró que se utilizan turbinas de doble paleta que funcionan con base en dos motores generadores.
A partir de ese conocimiento, decidió diseñar y construir su propia turbina de doble paleta pero que funcionara con base en un solo rotor, a diferencia de los productos ya existentes en el mercado, es decir, que tuviera mayor eficiencia energética al demandar menos energía y producir más.
Al colocar un segundo juego de paletas que giran en sentido contrario —up-wind y down-wind—, pero que funcionan con el mismo rotor —sumando así las revoluciones—, el prototipo es capaz de producir 800 wattsde potencia y reducir al mismo tiempo el consumo de energía necesario para hacerlo.
“Las paletas de nuestro dispositivo giran en sentido contrario; contamos con un motor convencional que tiene un rotor y un extractor; al rotor le pusimos un primer juego de paletas y el extractor lo modificamos mecánicamente, poniéndole un juego de baleros montados en una góndola para que la carcasa gire en sentido contrario”.
Asimismo, entre las innovaciones de la turbina de uso residencial, respecto a las versiones comerciales, se encuentra el rediseño de las paletas traseras que realizó el laboratorio Labinthap, a cargo del doctor Guilibaldo Tolentino Eslava, luego de someter el prototipo a diversas pruebas en el túnel de viento del IPN, mismo que se utilizó para generar el Patrón Nacional de Velocidad del Aire.
El túnel de viento que se utilizó para validar el prototipo
Ante la creciente demanda de energía eólica en el país, surgió la necesidad de crear un Patrón Nacional de Velocidad del Aire que permitiera validar —calibrar— la tecnología utilizada en el sector eólico, tanto por la iniciativa privada como por el sector gubernamental, y que, a su vez, apoyara las tareas de investigación e innovación tecnológica en la materia.
Fue así como el IPN se dio a la tarea de construir un túnel de viento que cumpliera con los más altos estándares a nivel nacional e internacional, capaz de brindar servicio a la industria y al mismo tiempo generar nuevos recursos humanos altamente especializados, mismo que utilizó el doctor Urbano Castelán para validar el prototipo de aerogenerador de uso habitacional.
En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, el doctor Guilibaldo Tolentino Eslava, profesor del posgrado de investigación del Departamento de Ingeniería Mecánica en la ESIME Zacatenco, explicó que ante el potencial del sector, se dieron a la tarea de construir un túnel de viento utilizado para generar, en coordinación con el Centro Nacional de Metrología, el Patrón Nacional de Velocidad del Aire.
 
“Ese patrón nacional es el que nos permite calibrar instrumentos para medición de velocidad de aire, es decir, a partir de los instrumentos calibrados aquí, se logran mediciones precisas de la velocidad del aire en cualquier sitio que queramos explorar. Dentro de ese entorno, el túnel desarrollado puede utilizarse también para probar prototipos o modelos del área de energía eólica”.
Así funciona un túnel de viento
El túnel de viento —de velocidad baja— mide 20 metros de largo aproximadamente, cuenta con un ventilador centrífugo para generar los flujos de aire, que funciona con base en un motor de 100 caballos de fuerza.
“Este equipo es novedoso porque cuenta con dos secciones de pruebas: una inmediata a la succión del ventilador que posteriormente descarga el flujo de aire a la atmósfera, y una segunda donde la sección de pruebas se encuentra en la descarga”.
Durante las pruebas, se genera el flujo de aire a través del ventilador y se hace correr a través de las diferentes secciones que permiten controlar la velocidad del viento de acuerdo con las necesidades de la prueba, entre ellas una cámara estabilizadora de madera.
Demanda energética en México
El documento “Una aproximación sociodemográfica al consumo de energía en los hogares mexicanos, 2014” señala que en ese año el consumo energético nacional ascendió a ocho mil 624.3 petajoules (PJ) —unidad de medida que expresa la cantidad de energía contenida en combustibles; un PJ equivale a mil 15 joules— y que cada habitante consumió en promedio 72 gigajoules.
Asimismo, que el consumo energético de los hogares mexicanos representó 15.4 por ciento del total de la energía demandada, cifra que significó en ese momento un incremento de 1.5 respecto al año anterior (2013), en cuanto a consumo energético de las familias mexicanas. Esas cifras suponen un problema toda vez que, en su mayoría, la electricidad consumida se obtiene de fuentes no renovables de energía.
“La producción y el consumo de energía aportan dos terceras partes de la emisión de gases de efecto invernadero (GEI), siendo el dióxido de carbono (CO2) el más cuantioso, originado por la quema de combustibles fósiles utilizados en la generación de energía eléctrica”, cita el documento.
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