La Administración de Información de Energía de los Estados Unidos (EIA) indica que uno de los gases más dañinos en la atmósfera es el dióxido de carbono (CO₂) que resulta de la generación de energía eléctrica producida por sistemas de conversión convencionales (EIA, 2018). En 2019 se registraron los niveles más altos de CO₂, alcanzando 411 partes por millón de CO₂ (Nunez, 2020). El Acuerdo de París propone establecer el aumento de la temperatura global por debajo de 2 grados centígrados y reducir el uso de combustibles fósiles para los países dentro de dicho acuerdo (Horowitz, 2016). La energía eléctrica producida a través de fuentes renovables ha tenido un alto grado de desarrollo en el siglo 21. La energía eólica destaca entre las diferentes fuentes de este grupo por tener el crecimiento más rápido (Energy Agency, 2015).

La Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) determinó que la aplicación de aerogeneradores reduce las emisiones necesarias para cumplir con el Acuerdo de París (IRENA, 2019). Las microturbinas eólicas extraen energía del viento, reduciendo los costos de energía eléctrica (Meehan, 2017). Para implementar esta tecnología se debe poder mantener la demanda de electricidad y con una inversión rentable (Artal-Sevil et al., 2018). Es práctico para los países en desarrollo utilizar la tecnología apropiada para optimizar la tecnología específica para un entorno particular (Stewart, 2019). La aplicación de un generador de flujo axial trifásico de 250W para microturbinas eólicas de eje vertical y horizontal aumentaría la posibilidad de un mejor suministro de energía eléctrica.

El generador de flujo axial tiene dos rotores de imanes permanentes; un estator comprende las bobinas conectadas (Wang et al., 2018). Una ventaja es que al no tener núcleo, se puede reducir su peso y la cantidad de espacio que ocupa (Lastra & Catuogno, 2019).Este trabajo tiene como objetivo diseñar y simular un generador eléctrico trifásico de flujo axial de imán permanente que genera una potencia eléctrica de 250W para una micro turbina eólica y alimenta un sistema de almacenamiento de baterías con un voltaje de 12V DC.

La simulación del generador trifásico se logró en EMWorks realizando los siguientes pasos:

Al realizar la simulación, se observó que la potencia objetivo de 250 W se supera después de 600 revoluciones por minuto y una velocidad del viento de 10 m / s. La Tabla 4 muestra los resultados obtenidos en la simulación. La distribución de la velocidad del viento juega un papel crucial en la influencia de la potencial energía eólica y la efectividad de un sistema de conversión de energía en un área específica (Wais, 2017). La velocidad del viento experimenta cambios constantes, por lo tanto, es esencial abordar su descripción desde una perspectiva estadística. Es preferible desarrollar un modelo que represente las frecuencias de las velocidades del viento mediante una función matemática continua en lugar de depender de una enumeración de valores discretos, por lo cual la distribución de Weibull se usa ampliamente para modelar los datos de la velocidad del viento en la literatura (Akgül et al., 2016). En el análisis estadístico del viento, especialmente cuando se busca evaluar la energía que se puede capturar con aerogeneradores, es común utilizar funciones de densidad de probabilidad continuas, representadas como f(v), que se ajustan a los datos experimentales observados. Estas funciones de densidad de probabilidad son herramientas muy efectivas para calcular probabilidades a partir de un conjunto de datos de frecuencia, siguiendo el modelo de densidad de Weibull (Bilir et al., 2015).

Se realizo un análisis estadístico con software como Matlab y hojas de cálculos para explorar la características del viento en los alrededores del Instituto Tecnológico de Santo Domingo (INTEC) a una altura de 10 metros, utilizando datos descargados del repositorio de la NASA para variables climatológicas NASA Prediction Of Worldwide Energy Resources (POWER Project) (NASA, 2021) que abarcan datos desde 1980 hasta la 2022. También se utilizó informaciones de velocidad del viento que registra Oficina Nacional de Estadística ONAMET en su base de datos la cual permitió clasificar las diferentes velocidades registradas a lo largo de un año y construir una distribución del viento que refleja su variabilidad a lo largo de las 8760 horas de un año. Esta información permitió simular las diversas condiciones en las que el viento interactúa con las palas del aerogenerador propuesto.

El software SOLIDWORKS-EMS del módulo magnético transitorio proporciona información sobre la fuerza, el par, la corriente, la inductancia, el voltaje inducido y las pérdidas en los devanados. Figura 2 muestra los resultados obtenidos para un período dado de la tensión inducida para 600 RPM. Muestra los resultados obtenidos en la simulación.

Además de analizar el voltaje, la corriente y la potencia, también se analizaron los parámetros magnéticos de intensidad del campo magnético e intensidad de corriente. Su objetivo era confirmar la densidad de corriente que fluye a través de las bobinas y el flujo magnético. Estas simulaciones no dieron como resultado fugas de flujo de corriente en el diseño propuesto, como se ve en la Figura 3.

De la misma manera, se observó que la intensidad del campo magnético afectó a las bobinas en su totalidad, como se ve en la Figura 4.

La conversión AC-DC se realiza utilizando el circuito que se muestra en la Figura 5, que corresponde a un circuito convertidor CA-CC con convertidor reductor. El circuito está diseñado teniendo en cuenta las características del generador, la corriente y el voltaje de funcionamiento. El punto final del circuito representado por V4 es el sistema de almacenamiento de batería de CC, con un voltaje nominal de 12V.

Los valores del convertidor reductor son tales que hacen que el circuito sea lo más eficiente posible. El nivel de corriente que recibirá la batería se controla a través de V5, realizando diferentes anchos de pulso, logrando un aumento o disminución en el ciclo de trabajo. La eficiencia del ciclo varía a medida que varía el ciclo de trabajo del convertidor. La figura 6 muestra que la eficiencia máxima del convertidor es del 36 %, con cierto margen de error para un ciclo de trabajo mayor o igual al 31 %. El control del convertidor debe considerar la potencia nominal del generador para que no se detenga.

A continuación, se explica las demás siglas usada en la Figura 5 L1,L2,L3 son las líneas de alimentación trifásica, D1-D7 son diodos para la rectificación de la señal alterna, R1-R3 resistencias eléctricas, C1-C2 son capacitores, V1-V5 fuente de voltaje.

Al simular el circuito de control en LTSpice, se obtiene que el generador está produciendo energía utilizable para la batería en el rango de 6-10 m / s. El resultado de este análisis se muestra en la Tabla 5.

Para el análisis económico se utilizó el método de análisis del valor presente neto (VPN). En comparación con los otros métodos, este análisis es más ampliamente utilizado (Adafin et al., 2020). Dentro del análisis económico, se consideraron mano de obra, administración, equipo y costos de operaciones. La recuperación de la inversión se realiza en dos años, con una tasa interna de retorno del 13% y un VAN de US$150. Se realizó una comparación con el valor del generador de flujo axial trifásico de 250 W con potencia eléctrica, destinado a microturbinas eólicas de eje vertical y horizontal disponibles en el mercado. Figura 6 muestra que se logró una disminución en el precio promedio máximo y mínimo de las microturbinas eólicas trifásicas de flujo axial (Adafin et al., 2020).

El ciclo de vida de los componentes garantiza el funcionamiento durante los veinte años de vida útil del generador. Las microturbinas eólicas mitigan los problemas de ruido y el daño causado a las aves que atraviesan las palas de las grandes turbinas eólicas (Zaharim et al., 2017). Diferentes metodologías, factores y hojas de cálculo estiman las emisiones de CO₂ cuando se genera un kWh de electricidad a partir de cualquier combustible fósil (Padgett et al., 2008); para este proyecto, el factor utilizado fue de 7,07 × 10-4 toneladas métricas CO₂ / kWh presentadas por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (Zaharim et al., 2017)(Padgett et al., 2008).

Determinar el ciclo de vida del generador es un aspecto esencial del análisis del impacto ambiental. El análisis del ciclo de vida es un mecanismo en el que se consideran todas las actividades involucradas en un producto o actividad. Para ello, se evalúan todas las acciones e insumos realizados para producir cada componente y, en consecuencia, el desarrollo del dispositivo. Todos estos datos se recogen y evalúan desde un punto de vista ambiental; Con ello, se pueden evaluar los posibles impactos ambientales que conlleva la fabricación y uso del dispositivo.

La Tabla 6 muestra que los elementos para la fabricación del generador se pueden obtener a partir de materiales reutilizados. Después de que termine su vida útil, pueden ser tratados nuevamente para su uso en el proyecto.

El generador de flujo axial trifásico con energía eléctrica se puede aplicar en microturbinas de eje vertical y horizontal. Teniendo en cuenta la variación del viento utilizando la distribución Weibull, la producción anual total de energía eléctrica es de 662,90 kWh. Por cada generador aplicado a microturbinas eólicas de eje vertical y horizontal, la reducción de CO₂ será de 0,468 toneladas métricas por año si se genera la misma cantidad electricidad con un generador eléctrico que funcione con combustibles fósiles. Se propone que el mini generador se haga localmente y con materiales de la región, lo que va de la mano con la agenda 2030 de los objetivos de desarrollo sostenible. Dado que promueve la energía de manera segura y sostenible y su innovación y desarrollo, se está promoviendo la industria local mediante el desarrollo de estos mini generadores. Los materiales utilizados para fabricar el generador pueden ser materiales reutilizados. El ciclo de vida del generador es de 20 años, con una degradación de la potencia útil del 5% en los primeros diez años y del 10% en 10 a 20 años de uso.

Para futuros trabajos relacionados con el circuito de control y conversión, se pueden realizar modificaciones para mejorar la eficiencia porque el modelo actual asume un ciclo de trabajo único. Además, para implementar un modelo físico para verificar la eficiencia total del sistema de turbina eólica, el circuito de control debe ajustarse a las condiciones reales. Puede ser interesante para la aplicación práctica, la ubicación de microturbinas eólicas en áreas rurales con mayor velocidad del viento y mayor producción de energía eléctrica.