Desarrollo de un Sistema de Bombeo de agua subterránea a través del

acoplamiento de una Batería de Litio y energía renovable de un Generador Eólico

Autores:
Yurina Valentina Yupanqui Rosales – Ingeniería Ambiental

Gerardo Javier Principe Barranzuela– Ingeniería Civil

Thalia Soledad Rosales Colonia– Ingeniería Civil

Karen Jhuliana Vilela Loayza– Ingeniería Industrial

Jhoan Joselito Neyra Troyes– Ingeniería Civil

Asesor:

Carlos Abelardo Bravo Taipe

Departamento de Ciencias – Línea de Física

I. Objetivos

La energía eólica se transforma en energía eléctrica mediante el aerogenerador, que es un

generador de electricidad que se activa por la acción del viento. Es decir, la energía cinética del aire
proporciona energía mecánica a un rotor de hélice que, a través de un sistema mecánico, hace que
gire el rotor de un generador.

● Objetivo General

Diseñar y construir un aerogenerador eólico de eje horizontal usando como recurso renovable el
viento, el cual producirá energía eléctrica que será almacenada en una batería de litio para luego
aprovechar esto para substraer agua subterránea.

● Objetivos Específicos

Se evalúa los diferentes valores de velocidad de giro de la hélice a diferentes velocidades de aire,
para ello es necesario calcular la máxima potencia que podríamos extraer al viento, se calcula con
la siguiente fórmula:P = 0,15 · D2 · v³(P es la potencia expresada en vatios (W), D es el diámetro
del rotor en metros(m), v es la velocidad del viento en metros por segundo (m/s).
Lo sobresaliente es que la potencia aumenta con el cubo de la velocidad del viento, es decir, a más
viento, mucha más energía.
Se desea saber la potencia máxima que podría generar cuyo rotor es de 6 m. Si el viento sopla a
10 m/s=36 km/h, la potencia del aerogenerador será P = 0,15 · 36 · 10³ = 5400 (W) = 5,40 (kW)
----> (1 kW = 1000 W)
Pero si sopla a 20 m/s= 72 km/h (sería peligroso para un aerogenerador casero), debido a que la
potencia será P = 0,15 · 36 · 20³ = 43200 (W) = 43,20 (kW). Con esto se puede determinar que a
doble velocidad del viento, la energía eólica desarrollará 8 veces más potencia.
La velocidad de giro del rotor se calcula con la siguiente fórmula:n = (60 · λ · v) / (π · D), donde n
es el número de revoluciones por minuto (rpm), λ es la velocidad específica que está definida,
λ = Uo/v donde Uo es la velocidad tangencial de las puntas del rotor y v la velocidad del viento.
Con ello, si deseamos calcular un aerogenerador de 10 m de diámetro, la velocidad específica de
λ = 8 bajo un viento de 10 m/s =36 km/h. Sería, n=(60 x 8 x 10)/(π x 10) =15.3 rpm.

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Esto quiere expresar que a más diámetro, menor velocidad de giro, también que un mayor número
de palas al rotor no aumenta necesariamente la velocidad de giro, peor si el rendimiento de la
energía eólica.

II. Justificación

La energía eólica tiene múltiples usos y aplicaciones, la producción de energía eléctrica mediante
el uso de aerogeneradores, donde la energía cinética del viento se puede transformar en energía
mecánica y a su vez en energía eléctrica, la cual se puede utilizar para el bombeo de agua. Los
sistemas de energía eólica han sido una solución alternativa, a pesar de ello aún existen una gran
cantidad de hogares que no cuentan con servicios básicos (agua, electricidad y saneamiento), en el
departamento de Huancavelica – provincia de Acobamba el 70.5% de hogares no cuentan con
electricidad y agua potable según MIDIS (2022).

La falta de energía ocasiona pérdidas económicas en las actividades de los pobladores y por ende
el desarrollo de la comunidad se ve afectado, por lo que se busca el abastecimiento genérico para
la contingencia de este tipo de problemas utilizando tecnología y fuentes de energías renovables
como es la eólica. Realizando un pequeño estudio de las diferentes alternativas para el
planteamiento y la viabilidad, así como también conocimientos técnicos y teóricos para facilitar los
cálculos de nuestro proyecto, la cual abordará la problemática del distrito de Acobamba –
Huancavelica, ya que este carece de energía y agua potable debido a los a factores geográficos,
económicos y políticos.

III. Introducción

¿Por qué y para qué se va a realizar la investigación?

La importancia de este proyecto radica en su capacidad para abordar dos desafíos críticos en
muchas partes del mundo. En primer lugar, la falta de acceso confiable a agua potable sigue
siendo un problema fundamental en muchas comunidades rurales y remotas, afectando la
salud y la calidad de vida de millones de personas. En segundo lugar, la generación de energía
eléctrica en estas áreas.

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 CONTEXTO GENERAL.

La energía eólica es una fuente de energía limpia y abundante que no contribuye a las
emisiones de gases de efecto invernadero. Los aerogeneradores son capaces de convertir
eficientemente la energía del viento en electricidad, que puede utilizarse para alimentar una
variedad de dispositivos, como bombas de agua. Las bombas de agua impulsadas por el viento
son especialmente valiosas en áreas sin acceso a la red eléctrica convencional, ya que pueden
extraer agua de pozos o ríos para su distribución en áreas remotas o elevadas.

Estas bombas de agua eólicas representan una solución sostenible para comunidades que
carecen de acceso a la electricidad o desean reducir su dependencia de los combustibles
fósiles. La energía eólica es una fuente confiable y eficiente que puede contribuir
significativamente a satisfacer las necesidades de agua en estas comunidades.

En resumen, la energía eólica y las bombas de agua impulsadas por el viento son una
combinación prometedora que puede abordar problemas cruciales, como la escasez de agua
potable y la generación de energía en áreas remotas. Este proyecto es importante debido a su
potencial para mejorar la calidad de vida y promover la sostenibilidad en estas comunidades

¿Es posible utilizar un aerogenerador para alimentar una bomba de agua?

Sí, es posible utilizar un aerogenerador para alimentar una bomba de agua. Esta aplicación es
conocida como "bombeo eólico" y se ha utilizado durante muchos años en áreas remotas o
rurales donde no hay acceso a una red eléctrica convencional. El principio básico consiste en
utilizar la energía cinética del viento capturada por el aerogenerador para generar electricidad,
que luego se utiliza para alimentar una bomba de agua.

ü Captura de Energía Eólica: El aerogenerador, que consta de aspas y un generador, gira

cuando el viento sopla. La energía cinética del viento se convierte en energía
mecánica al hacer girar las aspas.

ü Generación de Electricidad: El movimiento de las aspas del aerogenerador se

transfiere a un generador que convierte la energía mecánica en electricidad. Esta
electricidad generada se almacena en baterías o se utiliza directamente.

ü Operación de la Bomba de Agua: La electricidad generada se utiliza para alimentar

una bomba de agua, que extrae agua de un pozo o fuente y la bombea hacia un
tanque de almacenamiento o directamente a una red de distribución de agua.

¿Cuál es la eficiencia de un sistema de bombeo de agua alimentado por energía eólica?

La eficiencia de un sistema de bombeo de agua alimentado por energía eólica puede variar
significativamente según varios factores, incluyendo el diseño del sistema, la calidad de los
componentes y las condiciones locales del viento.

ü Diseño del Aerogenerador: La eficiencia del sistema depende en gran medida del
aerogenerador utilizado. Los aerogeneradores más eficientes pueden convertir una

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 mayor cantidad de energía cinética del viento en energía eléctrica. Los diseños de
aspas y la tecnología utilizada en el generador afectan la eficiencia global del
sistema.

ü Condiciones del Viento: La velocidad y la consistencia del viento en la ubicación del

sistema tienen un impacto directo en la eficiencia. Los sistemas de bombeo de agua
funcionan mejor en áreas con vientos constantes y predecibles. La falta de viento o
vientos muy variables pueden reducir la eficiencia y la confiabilidad.

ü Tamaño del Sistema: Un sistema de bombeo de agua adecuadamente dimensionado

para las necesidades de agua específicas del sitio será más eficiente. Un sistema
demasiado grande o pequeño puede desperdiciar energía o no proporcionar
suficiente agua.

ü Almacenamiento de Energía: La eficiencia puede mejorarse mediante el uso de

sistemas de almacenamiento de energía, como baterías. Esto permite que la
electricidad generada se almacene y se utilice cuando no haya viento, aumentando
la disponibilidad del agua.

ü Mantenimiento y Reparaciones: Un mantenimiento regular y las reparaciones

oportunas son esenciales para mantener la eficiencia del sistema a lo largo del
tiempo. Los componentes desgastados o dañados pueden reducir la eficiencia
general.

¿Cuáles son los costes de implementación y funcionamiento de un sistema de bombeo de agua

alimentado por energía eólica?

1. Costos de Implementación:

ü Aerogenerador: Este es uno de los componentes más significativos en términos de

costos. Los aerogeneradores vienen en una variedad de tamaños y capacidades, y
los precios varían en consecuencia. Los aerogeneradores más grandes y eficientes
tienden a ser más costosos.

ü Torre de soporte: Para elevar el aerogenerador a una altura adecuada para capturar
el viento, se necesita una torre de soporte. El costo de la torre dependerá de su
altura y del material utilizado en su construcción.

ü Sistema de almacenamiento de energía: Pueden requerirse baterías u otro sistema

de almacenamiento de energía para garantizar un suministro continuo de agua
cuando no haya viento. El costo de las baterías puede ser significativo y variar según
su capacidad.

ü Bombas y Equipamiento de Agua: El costo de las bombas y otros equipos de agua

dependerá de la capacidad de bombeo requerida y de la calidad de los
componentes.

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 ü Instalación y Construcción: Los costos de instalación, incluyendo la preparación del
sitio, la construcción de la base para el aerogenerador y la instalación de todos los
componentes, también deben tenerse en cuenta.

2. Costos de Operación:

ü Mantenimiento: Los aerogeneradores requieren un mantenimiento regular para

garantizar su funcionamiento óptimo. Esto incluye inspecciones, lubricación y
posibles reparaciones.

ü Reemplazo de componentes: Con el tiempo, algunas partes del aerogenerador

pueden requerir reemplazo debido al desgaste. El costo de estos componentes varía
según la marca y el modelo del aerogenerador.

ü Costos de Electricidad Auxiliar: En algunos casos, puede ser necesario contar con una
fuente de electricidad auxiliar (como una conexión a la red eléctrica o un generador
diésel) para garantizar el suministro de agua cuando no haya viento durante
períodos prolongados.

ü Seguimiento y Monitoreo: Es importante realizar un seguimiento y monitoreo del

sistema para asegurarse de que esté funcionando correctamente. Esto puede
implicar costos adicionales de gestión y supervisión.

Metodología:

1. Identificación de la Ubicación y Evaluación del Sitio:

· Seleccione la ubicación donde se implementará el sistema de bombeo eólico.

· Evaluar las condiciones del viento, incluyendo la velocidad y la dirección del

viento, a lo largo de un período de tiempo significativo.

· Determine la ubicación adecuada para el pozo de agua y la bomba.

2. Diseño del Sistema:

· Seleccione el aerogenerador adecuado en función de las condiciones del viento y

las necesidades de bombeo de agua.

· Dimensionar el sistema para garantizar que pueda satisfacer la demanda de agua

requerida.

· Diseñar la torre de soporte y la base del aerogenerador.

· Seleccione y dimensionar el sistema de almacenamiento de energía, si es

necesario (por ejemplo, baterías).

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 · Diseñar el sistema de control y monitoreo para supervisar y gestionar el
funcionamiento del sistema.

3. Instalación y Construcción:

· Prepare el sitio de instalación, incluyendo la cimentación para la torre y la base

del aerogenerador.

· Construir y ensamblar todos los componentes del sistema en la ubicación

seleccionada.

· Asegúrese de que la instalación se realice de acuerdo con las especificaciones de

diseño y las normativas locales.

4. Simulaciones y Modelado:

· Utilizar software de simulación específico para aerogeneradores y sistemas de

bombeo de agua para predecir el rendimiento del sistema en diferentes condiciones
de viento y escenarios de carga.

5. Monitoreo y Recopilación de Datos:

· Implementar un sistema de monitoreo continuo para registrar datos de

rendimiento en tiempo real, incluyendo la generación de energía y el flujo de agua.

· Recopilar datos sobre el funcionamiento del sistema durante un período de

tiempo significativo para evaluar su desempeño en diversas condiciones.

6. Evaluación de Eficiencia:

· Calcular la eficiencia del sistema midiendo la cantidad de agua bombeada en

relación con la cantidad de energía generada por el aerogenerador.

· Evaluar el rendimiento en condiciones de viento bajo, medio y alto para

comprender la variabilidad de la eficiencia.

7. Análisis Socioeconómico y Ambiental:

· Realizar un análisis de costos y beneficios para evaluar el impacto económico y la

viabilidad del sistema en comparación con alternativas convencionales.

· Evaluar el impacto ambiental del proyecto, incluyendo la reducción de emisiones

de gases de efecto invernadero.

8. Validación en el Campo:

· Validar los resultados de las simulaciones y las evaluaciones de eficiencia en el

campo, realizando pruebas prácticas bajo diversas condiciones de viento y carga.

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Fórmulas para medir la fuerza del viento:

La fuerza del viento se mide sustancialmente en términos de su velocidad y se expresa en

unidades como metros por segundo (m/s) o kilómetros por hora (km/h). Para medir la fuerza
del viento, la velocidad del viento es la clave variable.

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IV. Marco Teórico

4.1 Aerogenerador

Las turbinas eólicas utilizan la fuerza del viento para producir electricidad, El principio de su
funcionamiento se basa en el movimiento de palas giratorias. Sobre un eje central, como los
antiguos molinos de viento, que cumplían tareas específicas.
La energía eólica impulsa el movimiento de las hélices, El rotor se puede girar mediante un sistema
de engranajes mecánicos del generador, habitualmente con un alterador, que convierte la energía
mecánica en rotacional en energía eléctrica.

4.1.1. Fuerza del Aerogenerador

Las fuerzas que influyen en un objeto en movimiento a través de un fluido, como el viento en el
caso de un aerogenerador, son generadas por la interacción entre el objeto y el flujo de aire. Estas
fuerzas son esenciales para el rendimiento de las turbinas eólicas y se dividen principalmente en
resistencia y sustentación.

4.2. Aerogenerador de tripala

Las hélices de tres palas son un tipo común de hélices utilizadas en una variedad de aplicaciones,
estas hélices tienen tres palas que están montadas en un eje central. Cada pala de la hélice es una
estructura aerodinámica o hidrodinámica que crea fuerza de sustentación
cuando se gira alrededor de su eje. Las hélices de tres palas tienen varias ventajas ,algunas de
estas ventajas incluyen equilibrio y suavidad.
Las hélices de tres palas tienden a ser más equilibradas y generan menos vibraciones.

4.3 Estación de Bombeo

Una estación de bombeo está compuesta por diversos componentes que tienen la función de
tomar agua de una fuente de suministro y transportarla a través de conductos, tuberías y
dispositivos hacia elementos destinados a conservar el líquido, como los tanques de
almacenamiento.(CEPIS, 2005).

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4.3.1 Ubicación de la Estación de Bombeo
Según (CEPIS, 2005)sugiere evaluar la ubicación de la estación de bombeo considerando la
seguridad y el funcionamiento continuo, tomando en cuenta los siguientes aspectos:

● Asegurar un acceso que facilite las labores durante todas las fases de la estación.
● Garantizar la protección de la calidad del agua contra posibles fuentes de contaminación y
peligros naturales.
● Verificar la disponibilidad de una fuente confiable de energía eléctrica.
● Optimizar la eficiencia hidráulica en el sistema de impulsión y distribución del agua.

4.4. Estudio teórico

Se sitúa dentro de la parte teórica en la Energía Renovable, esto está enfocado en el desarrollo y la
implementación de tecnología sostenible y amigable para el medio ambiente. Lo importante de
este sistema es que radica en varios aspectos:

1. Sostenibilidad Energética
Los generadores eólicos aprovechan una fuente de energía renovable, el viento, para generar
electricidad. Al utilizar esta energía para bombear agua, se reduce la dependencia de fuentes
de energía no renovables y se contribuye a la sostenibilidad del suministro energético.
2. Acceso a Agua Potable
En acobamba como en muchas otras regiones, el acceso a agua potable es un desafío
crucial. Los sistemas de bombeo de agua impulsados por generadores eólicos pueden
proporcionar una solución sostenible y económicamente viable para llevar agua a
comunidades rurales o áreas remotas.

3. Reducción de Emisiones de Carbono

Al usar la energía eólica en lugar de combustibles fósiles para bombear agua, se reduce la
emisión de gases de efecto invernadero y se contribuye a la mitigación del cambio climático.

4. Resiliencia ante Desastres

Los sistemas de bombeo de agua con generadores eólicos pueden ser una fuente de agua
confiable en situaciones de emergencia, como desastres naturales, cuando las fuentes de
energía convencionales pueden estar fuera de servicio.

5. Estudios Interdisciplinarios
La implementación de estos sistemas involucra aspectos de la ingeniería, la meteorología, la
geografía y la gestión ambiental. Esto fomenta un enfoque interdisciplinario en la
investigación y la práctica, que es esencial para abordar los desafíos complejos relacionados
con el agua y la energía.

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4.5. Preguntas e Hipótesis

¿Cómo funciona el sistema de bombeo de agua mediante un generador eólico y cuál es

su principio de operación?

El sistema de bombeo de agua mediante un generador eólico funciona utilizando la energía

cinética del viento para bombear agua. Aquí está el principio de operación básica. Un generador
eólico, también conocido como aerogenerador, tiene palas que capturan la energía cinética del
viento cuando este sopla sobre ellas. Cuanto más fuerte sea el viento, más energía se captura.

¿Cuál es la eficiencia de un sistema de bombeo de agua alimentado por un generador

eólico en comparación con sistemas convencionales?

La eficiencia de un sistema de bombeo de agua alimentado por un generador eólico puede variar
según varios factores, como el diseño del generador eólico, las condiciones del viento, el diseño
del sistema de bombeo y la altitud del emplazamiento. En general, los sistemas de bombeo de
agua impulsados ​por generadores eólicos son conocidos por ser eficientes y tener un bajo costo
operativo en comparación con sistemas convencionales que dependen de combustibles fósiles o
electricidad de la red.

¿Qué impacto tienen los aerogeneradores eólicos en el medio ambiente y cómo se pueden
mitigar sus efectos negativos?
Tienen un impacto ambiental generalmente menor en comparación con las fuentes de energía
convencionales, como los combustibles fósiles, pero aún pueden tener algunos efectos negativos
en el medio ambiente. Los principales impactos y cómo se pueden mitigar es el impacto en la
fauna aviar.
Las turbinas eólicas pueden representar un riesgo para las aves y los murciélagos, ya que pueden
colisionar con las palas en movimiento. Para mitigar este efecto, se pueden implementar medidas
como la ubicación cuidadosa de los parques eólicos lejos de rutas de migración de aves y la
implementación de sistemas de detección de aves para detener temporalmente la operación de
las turbinas cuando sea necesario.

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 Cargador y batería de litio

La batería de Litio sirve para el almacenamiento de energía producida por el generador

eólico con apoyo del cargador.

Poleas

Se utilizará para impulsar el sistema de agua a través de la energía producida por un

generador eólico, es una herramienta clave para optimizar la eficiencia, controlar la
velocidad y garantizar la operación adecuada del sistema en una variedad de condiciones
de viento.

Focos led

A través de este elemento se podrá comprobar la energía producida por el generador

eólico, sirve como fuente de alumbrado para los hogares.

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 Bomba de agua

Se encarga de extraer agua del pozo y suministrarla a través de las tuberías para su uso en
riego y como agua potable para el consumo humano. Cuando se integra con el generador
eólico, esta se activa generando por las palas que son movidas por el viento

Cable De Cobre

Será utilizado como conductor de la electricidad del generador eólico al Cargador y batería
de litio, para el bombeo de agua.

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 Cautín

Es una herramienta eléctrica que se utiliza para fundir y aplicar estaño en conexiones
eléctricas, lo que se conoce como combinado de soldadura.

Palo de madera cuadrada

Palo de madre de “2 x 2” x 25 cm, la cual será utilizado como soporte para el
generador eólico.

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 Hélices a base de tubos de pvc de 9cm

Sirven para capturar la energía del viento de manera eficiente, convirtiéndola en energía

mecánica que se utiliza para alimentar una bomba de agua y proporcionar un suministro de

agua sostenible y renovable.

Melamine

Melamina de 50x37 la cual será utilizada como base del proyecto.

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 Motor paso a paso de 12 voltios

Es esencial para convertir la energía mecánica generada por el viento en energía

eléctrica utilizable, que a su vez alimenta la bomba de agua y proporciona un
suministro de agua sostenible y renovable.

V. Referencias bibliográficas

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 ● CEPIS. (2005). Guías para el Diseño de Estaciones de Bombeo de Agua Potable. Organización
Panamericana de La Salud, 39. Retrieved from
http://www.bvsde.paho.org/bvsacg/guialcalde/2sas/d23/023_Diseno_estaciones_bo mbeo/Diseño
estación de bombeo.pdf

● Fallas, A. R. (2011). Plan de Gestión Ambiental y Social para el Proyecto eólico Los Santos, Costa Rica.
UNIVERSIDAD PARA LA COOPERACIÓN INTERNACIONAL. Retrieved from
https://docplayer.es/11452852-Universidadpara-la-cooperacion-internacional-uci-plan-de-gestion-ambie
ntal-y-social-para-el- 68 proyecto-eolico-los-santos-costa-rica.html

● A. Abir, D. Mehdi and S. Lassaad, "Pitch angle control of the variable speed wind turbine," 2016 17th
International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (STA),
Sousse, Tunisia, 2016, pp. 582-587, doi: 10.1109/STA.2016.7952021.

● ElaboradoporlaDirecciónGeneraldeSeguimientoyEvaluación. (2022). REPORTE REGIONAL DE

INDICADORES SOCIALES DEL DEPARTAMENTO DE HUANCAVELICA, (Ministerio de Desarrollo e
Inclusión Social). MIDIS. https://sdv.midis.gob.pe/redinforma/upload/regional/huancavelica.pdf

● Voneschen Franquesa Manuel, (1989). Como empezar a intentar construir un sencillo generador
eólico.http://amics21.com/laveritat/manual_generador_eolico.pdf

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Anexo 1: Bosquejo de Prototipo / Esquema de Proyecto

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Cargador y batería de litio Poleas

Focos led Bomba de agua

Cable de cobre Cautín

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