Recibido: 9/12/2025
Aceptado: 26/12/2025
https://revistas.unj.edu.pe/index.php/pakamuros
116
ARTÍCULO ORIGINAL
Prototipo de aerogenerador de eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz
Grande, Jaén
Prototype vertical axis wind turbine for low wind speeds in Cruz Grande, Jaén
Fuentes, F.
1
, Sánchez, J.
2
, Palacios, R.
3
y Núñez, L.
4
RESUMEN
La limitada disponibilidad de energía eléctrica en zonas alejadas de la red pública motiva la evaluación del recurso
eólico como alternativa para el abastecimiento energético local. En este contexto, la investigación tuvo como objetivo
implementar y evaluar un prototipo de aerogenerador de eje vertical diseñado para operar con bajas velocidades de
viento en el caserío Cruz Grande, distrito de Jaén. El estudio fue de tipo aplicado, con diseño experimental. Para el
dimensionamiento se consideró una velocidad de viento de 2.72 m/s, una densidad del aire de 1.09 kg/m³ y un
coeficiente de potencia
de 0.35; bajo estas condiciones, para alcanzar una potencia de 12.15 W se obtuvo un rotor
de 3.91 m², conformado por cinco aspas semicilíndricas de 0.50 m de diámetro. En la etapa de evaluación, mediante
un sistema embebido con sensores se registró que, a una velocidad de 2.72 m/s, el rotor alcanzó 14 RPM y generó una
potencia de 1.12 W. El análisis económico reportó un VAN de -S/. 5021.50, una TIR de -31 % y una relación beneficio-
costo de 0.069, por lo que se concluye que el proyecto no es económicamente viable y no se recomienda su
implementación a gran escala sin mejoras sustanciales en eficiencia o en las condiciones del recurso eólico.
Palabras clave: potencial eólico, aerogenerador, sistema embebido, prototipo.
ABSTRACT
The limited availability of electric power in areas far from the public grid motivates the assessment of wind energy as
an alternative for local energy supply. In this context, the objective of the research was to implement and evaluate a
vertical-axis wind turbine prototype designed to operate at low wind speeds in the village of Cruz Grande, district of
Jaén. The study was applied in nature, with an experimental design. For the sizing, a wind speed of 2.72 m/s, an air
density of 1.09 kg/m³ and a power coefficient
of 0.35 were considered; under these conditions, to reach a power of
12.15 W, a rotor area of 3.91 m² was obtained, consisting of five semicylindrical blades with a diameter of 0.50 m.
During the evaluation stage, using an embedded system with sensors, it was recorded that at a wind speed of 2.72 m/s
the rotor reached 14 RPM and generated an electrical power of 1.12 W. The economic analysis reported an NPV of -
S/. 5021.50, an IRR of -31% and a benefit-cost ratio of 0.069, therefore it is concluded that the project is not
economically viable and its large-scale implementation is not recommended without substantial improvements in
efficiency or in the conditions of the wind resource.
Keywords: wind potential, wind turbine, embedded system, prototype
*
Autor para correspondencia
1.
Universidad Nacional de Jaén-1, Perú. Email: jingfrans@unj.edu.pe, jefer.sanchez@est.unj.edu.pe,
rodohi.palacios@est.unj.edu.pe, lenin_nunez@unj.edu.pe
Volumen 13, Número 4, Diciembre - Octubre, 2024, Páginas 116 al 131
DOI: https://doi.org/10.37787/5xv8d169
Fuentes et al.
131
INTRODUCCIÓN
El calentamiento global, la escasez de energía y el agotamiento de combustibles fósiles han
impulsado la adopción de energías renovables, destacando la eólica como una de las más
prometedoras. Aunque los aerogeneradores de eje horizontal (HAWT) han liderado grandes
proyectos, presentan limitaciones en áreas urbanas y semiurbanas debido al ruido, impacto visual
y restricciones de espacio. En contraste, los aerogeneradores de eje vertical (VAWT) ofrecen
menor impacto ambiental, operan con bajas velocidades de viento y se integran fácilmente en
entornos urbanos (Li et al., 2016; Yang et al., 2016; Khorsand et al., 2015). Según el Ministerio
de Energía y Minas [MINEM] (2016), la energía eólica es una fuente madura y competitiva; sin
embargo, los VAWT han sido menos investigados que los HAWT. La crisis climática y la
necesidad de micro y nano generación han renovado el interés por ellos, especialmente en zonas
aisladas sin acceso a redes eléctricas (Alave-Vargas et al., 2022).
En el caserío Cruz Grande, ante la ausencia de electricidad, surge la propuesta de
implementar un prototipo de VAWT para aprovechar las bajas velocidades de viento. Este tipo de
equipo es compacto, silencioso y adecuado para zonas rurales. Sus beneficios incluyen: Técnico-
científicos: fomento de energías renovables y autoconsumo, validación del funcionamiento real y
medición de la potencia generada en distintas velocidades de viento, Económicos: reducción de
costos energéticos a largo plazo, menor dependencia de combustibles fósiles, acceso a subsidios,
generación de empleo y mejora en la resiliencia energética, Sociales: mejora de calidad de vida,
acceso a educación y comunicación, cohesión comunitaria, reducción de migración y
concientización ambiental y Ambientales: uso de energía limpia que contribuye al desarrollo
sostenible.
Estudios previos respaldan esta iniciativa: Altmimi et al. (2021) hallaron que un rotor de 4
palas supera al de 3 en eficiencia; Potosi (2021) desarrolló un VAWT que genera potencia útil
desde 4 m/s; Gómez (2024) diseñó un sistema de monitoreo de turbinas con software libre;
Caballero y Gallardo (2022) implementaron un sistema híbrido eólico-solar para una demanda de
4874.8 kWh/año; López (2021) optimizó un prototipo Savonius modificado, aumentando un 159%
su eficiencia; y Suárez (2021) evaluó un Savonius para Jaén, concluyendo su baja rentabilidad
económica.
El objetivo general de esta investigación es implementar un prototipo de aerogenerador de
eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz Grande, Jaén, con el fin de generar energía
eléctrica. Los objetivos específicos son: determinar parámetros de diseño, evaluar su
funcionamiento y realizar la evaluación económica del proyecto.
117
Prototipo de aerogenerador de eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz Grande, Jaén
130
MATERIALES Y MÉTODOS
El objeto de estudio fue la implementación de un prototipo de aerogenerador de eje vertical
(AEV) diseñado para aprovechar bajas velocidades de viento con el fin de producir energía
eléctrica en condiciones rurales. El caso de aplicación se situó en el caserío Cruz Grande, distrito
de Jaén, donde el acceso a energía eléctrica presenta limitaciones y el recurso eólico es moderado
pero continuo. El prototipo se concibió con fines demostrativos y como base para futuras
estrategias de electrificación distribuida en zonas rurales.
La implementación y prueba del prototipo se llevó a cabo en el caserío Cruz Grande,
provincia de Jaén, departamento de Cajamarca (Perú). El emplazamiento seleccionado se localiza
en las coordenadas aproximadas –5.722079 de latitud y –78.82066 de longitud, en una zona con
relieve ligeramente accidentado y presencia de vientos de baja a media intensidad. El lugar se
eligió considerando: (1) disponibilidad de espacio libre de obstáculos para el flujo de viento, (2)
cercanía a viviendas potencialmente beneficiarias del sistema y (3) accesibilidad logística para el
transporte de materiales, montaje y posterior mantenimiento del prototipo.
En el marco del estudio, la población estadística se definió como el conjunto de valores de
velocidad del viento presentes en el área de estudio. Dado que la variable de mayor interés para el
diseño del AEV es el régimen eólico local, se tomó como referencia la recomendación de Manwell
et al. (2010), que plantean la necesidad de contar con múltiples mediciones para captar la
variabilidad del recurso. Se estableció una muestra de 40 mediciones puntuales de velocidad de
viento, obtenidas con un anemómetro en el sitio seleccionado, distribuidas a lo largo de un periodo
de observación de cuarenta días consecutivos. A partir de este conjunto de datos se calculó la
velocidad media del viento, así como parámetros básicos de dispersión (desviación estándar y
rango), que se emplearon para, estimar la densidad de potencia eólica disponible en el sitio,
dimensionar el rotor y el generador eléctrico del prototipo, verificar la factibilidad técnica de
operar el aerogenerador a bajas velocidades de viento. El muestreo fue de tipo no probabilístico
por conveniencia, condicionado por la accesibilidad y las condiciones climáticas del caserío.
A continuación, se presenta el diagrama de flujo del procedimiento metodológico seguido
para el diseño, construcción y evaluación del aerogenerador de eje vertical. En él se sintetizan de
manera secuencial las etapas principales, desde la medición del recurso eólico hasta la evaluación
de la factibilidad económica del prototipo.
118
Fuentes et al.
131
Figura 1
Diagrama de flujo del procedimiento realizado en la investigación
Nota. La Figura 1 se muestra el diagrama de flujo del procedimiento metodológico seguido para el desarrollo del prototipo de
aerogenerador de eje vertical. El proceso se inicia con la medición de las velocidades de viento en el sitio de estudio y una primera
decisión sobre la adecuación del recurso eólico. Cuando la velocidad resulta suficiente, se procede a la selección del tipo de
aerogenerador y al dimensionamiento de las palas y componentes mecánicos en SolidWorks, seguido por el dimensionamiento del
sistema de fijación y del generador eléctrico.
119
Prototipo de aerogenerador de eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz Grande, Jaén
130
A continuación, se define el sistema electrónico embebido y se seleccionan los sensores, para luego
adquirir los materiales y componentes necesarios.
Posteriormente, se realiza el montaje del prototipo en el lugar de estudio y la programación
y configuración del sistema embebido. Una vez ensamblado el sistema, se ejecutan las pruebas de
funcionamiento, tras las cuales se toma una segunda decisión: si los resultados no son
satisfactorios, el procedimiento retorna al bloque de dimensionamiento mecánico para introducir
ajustes; si las pruebas cumplen los criterios establecidos, se pasa a la evaluación de la factibilidad
económica del proyecto, con lo que se da por concluido el procedimiento.
Componentes constructivos del aerogenerador
Las aspas del rotor se construyeron con plancha de acero laminado en frío recubierta con
Aluzinc AZ150 de 0,35 mm, material elegido por su alta resistencia a la corrosión y a la oxidación,
según especificaciones del proveedor (2,68 kg por lámina estándar y 1,20 m de ancho). El eje se
fabricó con barra maciza de acero estructural de 1¼", conforme a las normas ASTM A36/A36M
y SAE 1045, dimensionada para soportar los esfuerzos de flexión y torsión y protegida con pintura
anticorrosiva.
El conjunto se completó con un soporte de eje en tubo redondo de acero y una torre de
tubos cuadrados estructurales, diseñada para resistir peso propio, cargas de viento y vibraciones,
considerando factores de seguridad frente a pandeo, flexión y fatiga. Como sistema de conversión
se empleó un generador de imanes permanentes con bobinados de cobre e imanes de neodimio,
capaz de entregar tensiones útiles aun a bajas velocidades de giro, adecuado para sitios con vientos
moderados.
Sistema de control y electrónica
El sistema de conversión y control se compuso de tres elementos principales: un
controlador de carga, encargado de regular la energía hacia el banco de baterías y protegerlo de
sobrecarga y sobredescarga; un banco de baterías, priorizando tecnologías de ion–litio por su
mayor densidad energética y vida útil, con la opción de plomo–ácido como alternativa económica;
y una placa ESP32, que actuó como unidad central del sistema embebido para registrar velocidad
del viento, tensión, corriente y rpm, además de ejecutar la lógica de control del prototipo.
Sistema de montaje y fijación
Para asegurar la estabilidad del aerogenerador se dispuso un sistema de montaje y fijación
basado en elementos mecánicos y civiles. Se utilizaron tornillos y pernos de acero inoxidable,
seleccionados por su resistencia mecánica y su buen desempeño frente a la corrosión, lo que reduce
los requerimientos de mantenimiento. La estructura se ancló a bases de concreto que actúan como
120
Fuentes et al.
131
cimientos, proporcionando rigidez al conjunto y garantizando la resistencia frente a esfuerzos de
vuelco y deslizamiento producidos por el viento.
Cables, conectores y sensores
Los conductores eléctricos utilizados son de cobre con aislamiento en PVC o polietileno,
lo que asegura buena conductividad y protección frente a la radiación solar, la humedad y otros
agentes ambientales. Para la monitorización del sistema se emplearon sensores específicos: un
transmisor RS485 para la velocidad del viento, un encoder infrarrojo FC-03 para los rpm del eje,
el ZMPT101B para la tensión y el ACS712ELCTR-5A-T para la corriente. El registro conjunto de
estas variables permitió analizar el desempeño eléctrico del prototipo en condiciones reales de
operación.
Instrumentos de medición
En las etapas de construcción, montaje y puesta en marcha se utilizaron diversos
instrumentos de medición. Un anemómetro permitió registrar la velocidad del viento en el lugar
de instalación. Una pinza amperimétrica se empleó para medir los valores de tensión y corriente
del sistema en distintas condiciones de carga. Para la verificación geométrica se utilizaron una
cinta métrica (guincha) y un nivel de burbuja, con los que se comprobaron dimensiones,
verticalidad y alineamientos de la estructura.
Software de ingeniería
El diseño, análisis y documentación del prototipo se apoyó en diversas herramientas de
software con licencia académica o en versión de prueba. El programa AutoCAD 2023 se utilizó
para la elaboración de planos y detalles constructivos; SolidWorks 2023 permitió el modelado
tridimensional de palas, rotor y estructura; Proteus 8.13 se empleó para la simulación de los
circuitos electrónicos y del sistema de control todos estos softwares fueron versión estudiantil; y
Arduino IDE 8.3.4 se utilizó para la programación de la placa ESP32.
Máquinas y herramientas de construcción
La fabricación del prototipo se llevó a cabo en un taller metal mecánico equipado con
maquinaria convencional. Se utilizó una amoladora angular (Dewalt DWE4324N) para
operaciones de corte y desbaste, una sierra de arco (SABI SM-18) para cortes precisos en perfiles
metálicos y un taladro percutor–atornillador (Bosch GSB16RE) para la perforación y el
ensamblaje mecánico. Las uniones soldadas se realizaron con una soldadora eléctrica (ESAB
LHN240IPLUS), y el corte de secciones de acero estructural se efectuó mediante una tronzadora
(Dewalt D28730). El proceso de pintado se apoyó en una compresora de aire (Einhell TC-
AC112508). Adicionalmente, se utilizaron herramientas auxiliares, como pelacables y escobillas
121
Prototipo de aerogenerador de eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz Grande, Jaén
130
metálicas, para el acabado de soldaduras, la preparación de superficies y el acondicionamiento de
conductores eléctricos.
El estudio se enmarca dentro de la categoría de investigación aplicada, puesto que se
recurre a conocimientos de diseño de máquinas y de sistemas de conversión energética para dar
respuesta a un problema concreto: el aprovechamiento del recurso eólico en una zona rural con
limitaciones de acceso a la red eléctrica. En esta perspectiva, la investigación no se orienta
únicamente a generar nuevos conocimientos teóricos, sino a desarrollar una solución tecnológica
funcional que pueda ser implementada en condiciones reales de operación, coherente con la
definición de investigación aplicada planteada por Vásquez et al. (2023), quienes la vinculan con
la formulación de respuestas prácticas a partir de bases científicas consolidadas.
En cuanto al diseño, la investigación adoptó un enfoque experimental. Se procedió a la
construcción de un prototipo físico de aerogenerador de eje vertical y a la evaluación de su
desempeño bajo condiciones controladas de operación en el campo. El comportamiento del sistema
se analizó en función de variables técnicas previamente definidas (velocidad de viento, potencia
generada, comportamiento eléctrico y respuesta estructural), contrastando los resultados obtenidos
con los criterios de diseño y con el desempeño reportado en la literatura para aerogeneradores de
características similares. De acuerdo con Cevallos et al. (2017), el diseño experimental se
caracteriza por la manipulación deliberada de variables técnicas dentro de rangos establecidos, con
el propósito de estudiar su efecto sobre variables de respuesta; en este caso, se consideraron como
salidas principales la potencia eléctrica producida y los indicadores económicos asociados a la
viabilidad del sistema.
Se desarrolló un análisis documental exhaustivo, basado en una revisión sistemática de
literatura en bases de datos científicas (ScienceDirect, SciELO, PubMed), libros especializados,
tesis y documentos técnicos de organismos oficiales. Este proceso permitió identificar criterios y
parámetros de diseño para aerogeneradores de eje vertical, experiencias en el aprovechamiento de
vientos de baja velocidad y metodologías para la evaluación técnica y económica. La información
obtenida sirvió como base para definir los rangos de operación del prototipo, dimensionar el rotor
y el generador, seleccionar materiales y equipamiento electrónico, y estructurar el esquema de
análisis económico.
Además, se aplicó observación directa con mediciones de campo para caracterizar el
recurso eólico en el lugar de instalación. Mediante un anemómetro se registró la velocidad del
viento durante 40 días consecutivos, siguiendo un protocolo fijo de altura y horarios. Los datos
fueron procesados en hojas de cálculo para obtener la velocidad media y otros indicadores
122
Fuentes et al.
131
estadísticos, a partir de los cuales se estimó la potencia eólica disponible y se verificó la factibilidad
técnica del sistema, ajustando el dimensionamiento del aerogenerador y sirviendo de referencia
para interpretar su desempeño energético.
RESULTADOS
En esta sección se presentan los principales resultados obtenidos durante la construcción y
evaluación del prototipo de aerogenerador de eje vertical. En primer lugar, se muestran los
parámetros técnicos logrados en el diseño y la puesta en marcha del sistema. A continuación, se
analizan el comportamiento aerodinámico y eléctrico del prototipo bajo distintas condiciones de
velocidad de viento, así como los indicadores de desempeño energético y económico asociados a
su operación en el caserío de estudio.
Determinación de los parámetros de diseño de un prototipo de aerogenerador de eje
vertical
1. Densidad del viento: =1.09 /
3
2. Velocidad del viento:
3. Potencia eléctrica de salida:
12.15 W
4. Dimensionamiento del prototipo del aerogenerador:
Para calcular las dimensiones del rotor se utilizó la fórmula
, considerando un
se obtiene un área de barrido del rotor de
con 5 aspas semicilíndricas distribuidas en partes iguales alrededor del eje. Entonces:
▪ Diámetro: ; Altura:
▪ Aspa del rotor: Cada aspa es de 50 cm de diámetro por 2.45 m de altura haciendo una masa
teórica de 9.236 kg.
▪ Velocidad de rotación y torque: y
▪ Fuerza del viento en las aspas:
▪ Fuerza producida en las aspas debido a la rotación:
▪ Trasmisión mecánica multiplicadora de RPM:
y
▪ Selección del generador Eléctrico
123
Prototipo de aerogenerador de eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz Grande, Jaén
130
Tabla 1
Especificaciones técnicas del generador eléctrico
Modelo
G-200,3Ø
Potencia nominal
1000 W
Velocidad nominal de rotación
300 rpm
Voltaje nominal
100 V
Corriente nominal
10A
Eficiencia
0.90
Material
Imanes permanentes
Peso
8 kg
Nota. Dimensionamiento de baterías: Batería Bulk (modelo: BK NS60L) de 9 Ah. El prototipo de
aerogenerador de eje vertical fue dimensionado bajo condiciones de operación representativas del sitio,
considerando una densidad del aire de 1,09 kg/m³ y una potencia eléctrica ideal estimada de 12,15 W
para la condición de diseño.
Según la tabla 1, para la conversión electro–mecánica se seleccionó un generador de imanes
permanentes modelo G-200,3Ø, con potencia nominal de 1000 W, velocidad nominal de 300
rpm, voltaje nominal de 100 V, corriente nominal de 10 A y eficiencia de 0,90
5. Diseño de las partes del aerogenerador
▪ Aspas: Se seleccionó Aluzinc de 0.35 mm de espesor para la construcción, pero estas
resultan ser flexibles por lo que se diseñó un soporte de acero estructural para cada una de
estas rolado exactamente a 50 cm de diámetro.
▪ Eje: Se seleccionó un eje de 1 ¼”, haciendo mecanizar un orificio roscado en la parte
superior para fijar la brida. Además, se tornearon los extremos del eje con el fin de acoplar
adecuadamente chumaceras de 1”.
▪ Soporte de eje(carrete): Soporta el eje y su conjunto a través de 2 chumaceras para evitar
la flexión, y transmitir la carga hacia la torre. Se seleccionó tubo de acero estructural
circular de 2.5 pulgadas soldado con bridas circulares en ambos extremos para la fijación
en la torre
▪ Brida: Une las aspas con el eje a través de pernos para formar un conjunto estable y seguro,
para ello se realizó 10 agujeros donde irán los pernos de unión del aspa, un agujero central
y se soldó una nuez de sujeción para fijar la brida en el eje.
▪ Estructura de soporte (torre): Se construyó una torre de 6 m de altura de tubo cuadrado
estructural unida con peldaños soldados a las dimensiones requeridas para lograr
estabilidad a lo largo de la estructura.
124
Fuentes et al.
131
6. Sistema de control
El sistema de adquisición y monitoreo está conformado por un sensor de viento RS485
para medir la variabilidad de la velocidad del viento, un sensor de RPM tipo encoder infrarrojo
FC-03 (MOCH22A) para cuantificar las revoluciones del eje del generador, un sensor de
voltaje ZMPT101B para registrar el voltaje de línea y un sensor de corriente ACS712ELCTR-
5A-T (5 A) para medir la corriente entregada a la carga; además, incorpora un módulo RTC
DS3221 por I2C para asociar cada registro con fecha y hora, y un módulo lector microSD
(74LVC125A) para almacenar las mediciones. Todo el procesamiento y la gestión de datos se
realizan con un ESP32 DEVKIT V1, mientras que la visualización en tiempo real se efectúa
mediante un display LCD TFT de 2.4” con interfaz I2C, permitiendo supervisar las variables
eléctricas y mecánicas del sistema durante la operación.
7. Evaluación del funcionamiento del aerogenerador
Para la respectiva evaluación del aerogenerador se realizó la implementación del
prototipo. Las aspas se construyeron de Aluzinc de 0.35 mm de espesor y se fijó a través de
remaches en la estructura de soporte para evitar la flexión. Luego se procedió a realizar el
torneado del eje para fijar con las chumaceras hacia el carrete y este en la torre. Seguidamente
se realizó el montaje de la brida con el eje con sus respectivos prisioneros, y finalmente se
realizó el montaje de las aspas con sus respectivos pernos en la brida.
125
Prototipo de aerogenerador de eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz Grande, Jaén
130
Figura 2
Prototipo de aerogenerador de eje vertical
Figura 3
Velocidad del viento vs RPM del aerogenerador y del generador eléctrico
Nota. Según la figura 3, se observó un incremento de las RPM del rotor conforme aumentó la velocidad del viento.
Adicionalmente, el generador presentó un aumento más pronunciado de revoluciones debido a la relación de transmisión
1:6. Respecto a la condición de diseño, se estimó que a 2,72 m/s el rotor alcanzaría 32 RPM; sin embargo, en la evaluación
experimental a dicha velocidad se registró aproximadamente 14 RPM, evidenciando una diferencia entre el desempeño
ideal y el real bajo condiciones de campo.
Nota. Según la figura 2, el prototipo fue construido e instalado con aspas de
aluzinc de 0,35 mm reforzadas con soportes de acero estructural; se montó el
conjunto eje–chumaceras–carrete, la brida de unión y la torre de 6 m de
altura, asegurando rigidez y estabilidad del sistema durante operación. El
monitoreo se realizó mediante un sistema embebido durante 5 días,
registrando datos cada 30 s y almacenándolos en tarjeta micro-SD para su
posterior procesamiento en Excel. La instrumentación incluyó sensor de
viento RS485, sensor de RPM (FC-03), sensor de voltaje (ZMPT101B) y
sensor de corriente (ACS712-5A), integrados con ESP32 y periféricos de
registro/visualización.
126
Fuentes et al.
131
Figura 4
Velocidad del viento vs voltaje e intensidad de corriente
Nota. Según la figura 4, el voltaje y la corriente medidos bajo carga mostraron una tendencia creciente con el incremento
de la velocidad del viento, indicando una respuesta eléctrica dependiente del régimen de giro del generador.
Figura 5
Velocidad de viento vs potencia eléctrica
Nota. Según la figura 5, la potencia eléctrica medida aumentó con la velocidad del viento (Figura 5). A 2,72 m/s se obtuvo
1,74 W, lo que representa una reducción del 85% respecto a la potencia ideal estimada (12,15 W). Durante el periodo de
monitoreo, la potencia promedio fue 0,12 W, asociada a una velocidad promedio de viento de 1,54 m/s, lo cual explica
el bajo rendimiento observado en condiciones reales de bajas velocidades.
Tabla 2
Estadística descriptiva de las variables medidas en función de la velocidad del viento
Variable
Unidad
n
Media
DE
Min
Max
Velocidad del viento
m/s
23
2.75
1.70
0.00
5.50
RPM rotor
rpm
23
12.34
7.13
0.00
20.54
RPM generador
rpm
23
74.82
41.94
0.54
123.24
Voltaje AC
V
23
9.38
4.84
0.07
13.37
Corriente AC
A
23
0.11
0.18
0.00
0.58
Potencia
W
23
2.59
3.45
0.00
12.42
Nota. La Tabla 2 presenta la estadística descriptiva de las variables evaluadas en las curvas experimentales en función de la
velocidad del viento. Se incluye el número de puntos considerados (n = 23), así como la media, desviación estándar (DE) y los
valores mínimo y máximo de cada variable (velocidad del viento, RPM del rotor, RPM del generador, voltaje AC, corriente AC y
potencia). En el rango analizado (0,00–5,50 m/s), la velocidad media fue 2,75 m/s y se observó un incremento del régimen de giro
y de la respuesta eléctrica conforme aumenta el viento, alcanzándose valores máximos de 20,54 rpm en el rotor, 123,24 rpm en el
generador, 13,37 V de voltaje, 0,58 A de corriente y 12,42 W de potencia. La dispersión cuantificada por la DE refleja la variabilidad
de la respuesta del sistema a lo largo del rango de velocidades evaluado.
127
Prototipo de aerogenerador de eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz Grande, Jaén
130
Evaluación económica del proyecto.
La inversión total ascendió a S/ 5027,96 y el ingreso anual estimado fue S/ 0,865. Los
indicadores obtenidos fueron VAN = –S/ 5021,50, TIR = –31% y relación Beneficio/Costo =
0,069, lo que evidencia inviabilidad económica bajo el escenario de operación evaluado.
DISCUSIÓN
La presente sección discute los resultados obtenidos en el diseño, construcción y
evaluación del aerogenerador de eje vertical, contrastándolos con la evidencia reportada en
investigaciones previas.
López (2021) desarrolló un estudio experimental para optimizar la captación de energía
eólica con prototipos Savonius, comparando una turbina clásica de dos etapas y un diseño
modificado de una sola etapa con cuatro álabes semicilíndricos, ensayados entre 2.9 y 4.8 m/s. El
diseño modificado mostró un mejor desempeño, por lo que en el presente trabajo se adoptaron
palas semicilíndricas, fabricadas en Aluzinc por su resistencia a la corrosión y bajo peso. El
prototipo se dimensionó considerando una densidad del aire de 1.09 kg/m³ y una velocidad media
de viento de 2.72 m/s, obteniéndose un área de barrido de 3.91 m² y una potencia ideal proyectada
de 12.15 W.
Altmimi et al. (2021) compararon rotores de eje horizontal con distinto número de palas,
encontrando que configuraciones de 4 y 5 palas eran más eficientes que el clásico rotor de 3,
aunque el de 5 palas fallaba a TSR elevados. A partir de estos resultados, se diseñó un rotor de
1.60 m de diámetro, cinco palas semicilíndricas de radio 0.25 m y altura de 2.45 m, priorizando
mayor torque de arranque a vientos moderados. Se obtuvo un torque de 8.85 N·m y 32 rpm en
condiciones iniciales, incorporándose un sistema de transmisión por poleas para aumentar la
velocidad de giro del generador. No obstante, se observaron pérdidas mecánicas y dificultades de
arranque a bajas velocidades, lo que refuerza la necesidad de generadores diseñados para operar
directamente a bajas rpm y alto torque, en línea con Potosí (2021), quien logró eficiencias cercanas
al 59 % con un generador axial adaptado al potencial eólico disponible.
En la instrumentación, se implementó un sistema embebido con sensores RS485 para la
velocidad del viento, encoder FC-03 para rpm, módulo ZMPT101B para tensión y
ACS712ELCTR-5A-T para corriente, gestionados por dos ESP32 y un módulo microSD para
registro de datos cada 30 segundos durante 5 días, además de una pantalla LCD táctil de 2.4". Esta
estrategia, inspirada en la propuesta de Gómez (2024), permitió un monitoreo continuo y preciso
128
Fuentes et al.
131
con tecnología accesible y de código abierto, superando las limitaciones de métodos manuales
tradicionales en términos de precisión y tiempo de procesamiento.
Durante la evaluación experimental, a una velocidad media de 2.72 m/s se obtuvo una
potencia real de 1.74 W, aproximadamente un 85 % por debajo de la potencia ideal, evidenciando
pérdidas importantes en el sistema mecánico y eléctrico. El multiplicador por poleas (1:6)
ligeramente incrementó la velocidad de entrada al generador, pero introdujo pérdidas adicionales
y un par resistente significativo, limitando el arranque y la operación. Estos resultados confirman
que, en contextos de viento bajo, la solución más eficiente es emplear generadores específicamente
diseñados para bajas revoluciones, evitando multiplicadores que incrementen la inercia y las
pérdidas.
Caballero y Gallardo (2022) mostraron que un sistema híbrido eólico–solar permite cubrir
demandas energéticas relevantes (4874.8 kWh/año) con un aerogenerador Darrieus de 3.5 kW
operando a 12.7 m/s y paneles fotovoltaicos complementarios. En contraste, en el presente estudio
la velocidad media del viento de 1.54 m/s solo permitió generar alrededor de 0.12 W, muy por
debajo de los 12.15 W mínimos para iniciar la carga de baterías, lo que evidencia la baja eficacia
de un sistema exclusivamente eólico en estas condiciones. En coherencia con Suárez (2021), quien
reportó indicadores económicos negativos (VAN, TIR, B/C) para un sistema similar en Jaén con
vientos promedios de 1.03 m/s, la evaluación financiera de este proyecto también arrojó VAN y
TIR negativos, confirmando su no viabilidad económica bajo el régimen de viento estudiado. Estos
hallazgos, en línea con lo planteado por Duffie y Beckman (2013), subrayan que en escenarios de
baja disponibilidad eólica resulta más adecuado considerar soluciones híbridas (eólico–solar) u
otras fuentes renovables que permitan mejorar tanto el rendimiento energético como la viabilidad
económica del sistema.
CONCLUSIONES
La implementación del sistema embebido de adquisición de datos permitió una medición
precisa, continua y en tiempo real de las variables críticas del prototipo, superando ampliamente a
los métodos manuales tradicionales. El uso de sensores especializados, almacenamiento digital y
visualización en pantalla táctil demostró ser una solución accesible, escalable y eficaz para el
monitoreo de sistemas eólicos a pequeña escala.
A partir de una densidad del aire de 1.09 kg/m³ y una velocidad media de viento de 2.72
m/s se estimó una potencia teórica de 12.15 W, definiéndose un rotor de 1.60 m de diámetro, 2.45
m de altura y un torque de diseño de 8.85 N·m. Sin embargo, la potencia real obtenida fue
129
Prototipo de aerogenerador de eje vertical para bajas velocidades de viento en Cruz Grande, Jaén
130
significativamente menor, debido a pérdidas mecánicas y eléctricas, en especial las asociadas al
sistema de transmisión por poleas y al par resistente de la carga.
Los resultados muestran que la estrategia más eficiente para mejorar el rendimiento del
sistema consiste en emplear un generador diseñado para operar directamente a bajas revoluciones
y alto torque, prescindiendo de multiplicadores mecánicos que incrementan la inercia y las
pérdidas.
En el contexto de bajas velocidades de viento del sitio de estudio, un sistema
exclusivamente eólico no logra cubrir las necesidades energéticas planteadas. La evaluación
económica arrojó un VAN y una TIR negativos, lo que confirma la no viabilidad financiera del
proyecto en estas condiciones y refuerza la conveniencia de considerar soluciones híbridas
(eólico–solar) u otras fuentes renovables complementarias.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Alave-Vargas, E. M., Lafuente, R. O., & Sempértegui-Tapia, D. F. (2022). Estado del arte sobre
aerogeneradores de eje vertical (Monografía). Revista Investigación & Desarrollo, 22(1),
Article 1. https://doi.org/10.23881/idupbo.022.1-13i
Altmimi, A., Alaskari, M., Abdullah, O., & Sherza, J. (2021). Diseño y optimización de
aerogeneradores de eje vertical utilizando QBlade. Applied System Innovation, 4(4), 74.
https://doi.org/10.3390/asi4040074
Caballero, R. J., & Gallardo, R. J. (2022). Aerogenerador hibrido de eje vertical para abastecer
de energía eléctrica al laboratorio general de Biotecnología de la UNPRG [Tesis de
pregrado, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo]. Repositorio Institucional
UNPRG.http://repositorio.unprg.edu.pe/handle/20.500.12893/10760
Cevallos, A. F., Polo Luna, E. F., Salgado Chasipanta, D. J., & Orbea Vergara, M. S. (2017).
Métodos y técnicas de investigación. Grupo compás.
http://142.93.18.15:8080/jspui/handle/123456789/498
Gómez, C. A. (2024). Prototipado y análisis comparativo de dos turbinas eólicas de eje vertical
para generación eléctrica a pequeña escala [Tesis de postgrado, Universidad Tecnológica
de Pereira]. Repositorio Institucional UTP. https://hdl.handle.net/11059/15277
Jimenez, F., Espinosa, C., & Fonseca, L. (2007). Ingeniería Económica. Editorial Tecnologica de
CR.
https://www.google.com.pe/books/edition/Ingenier%C3%ADa_Econ%C3%B3mica/LVL
ZA74NNwwC?hl=es&gbpv=0
Khorsand, I., Kormos, C., MacDonald, E. G., & Crawford, C. (2015). Wind energy in the city: An
interurban comparison of social acceptance of wind energy projects. Energy Research &
Social Science, 8, 66-77. https://doi.org/10.1016/j.erss.2015.04.008
Fuentes et al.
131
López, E. J. (2021). Construcción de prototipo de aerogenerador savonius a nivel de banco para
optimizar captación de energía eólica [Tesis de pregrado, Universidad Nacional José
Faustino Sánchez Carrión]. Repositorio Institucional UNJFSC.
https://repositorio.unjfsc.edu.pe/handle/20.500.14067/5469
Ministerio de Energía y Minas (MINEM). (2016). Atlas eólico del Perú.
http://www.minem.gob.pe/minem/archivos/file/Electricidad/publicaciones/Atlas_Eolico_
Final.pdf
Potosi, F. L. (2021). Construcción de un prototipo de generador eólico de baja potencia con eje
vertical en el edificio de la carrera de electricidad de la Universidad Técnica del Norte
[Tesis de pregrado, Universidad Técnica del Norte]. Repositorio Institucional UTN.
https://repositorio.utn.edu.ec/handle/123456789/11555
Suárez, N. J. M. (2021). Diseño de un Aerogenerador Eólico para Cubrir la Demanda Eléctrica
al Laboratorio de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Nacional de Jaén
[Tesis de pregrado, Universidad Nacional de Jaèn].Repositorio Institucional UNJ.
http://repositorio.unj.edu.pe/jspui/handle/UNJ/162
Vásquez, A. A. V., Guanuchi, L. M., Cahuana, R. C., Vera, R. V., & Holgado, J. H. (2023).
Métodos de investigación científica. En Instituto Universitario de Innovación Ciencia y
Tecnología Inudi Perú. Instituto Universitario de Innovación Ciencia y Tecnología Inudi
Perú. https://doi.org/10.35622/inudi.b.094
Villarrubia, M. (2012). Ingeniería de la energía eólica (1 edición). Marcombo.
https://books.google.com.pe/books?id=GW_jEgJJSdcC&printsec=frontcover&hl=es#v=o
nepage&q&f=false
131
