INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE ZAPOPAN
DIVISION DE INGENIERIA EN ELECTROMECANICA
INFORME TECNICO DE PROYECTO
AEROGENERADOR
Realizado en la institución: Instituto Tecnológico Superior de Zapopan.
Presentado por: Cesar Álvarez Medina Juan Carlos Flores Rodríguez José Rogelio González Gutiérrez Jaime Alejandro González Nápoles Manuel Alejandro Montaño Rivera
Asesor interno: Ing. Oscar Villa Miranda. Asesor externo: Ing. Daniel Martínez González.
Zapopan, Jalisco, a 23 de junio de 2014
INTRODUCCIÓN. Al realizar un proyecto, como lo es este, se cree fácil su realización, sin embargo hay que estar familiarizados con cada uno de los términos utilizados ya que es un “proyecto” mecánico-eléctrico y es más complejo que uno mecánico o eléctrico, en este se conjugan los dos términos para crear una maquina eléctrica. Aquí se podrán revisar los antecedentes del viento como recurso eólico, diseño de un aerogenerador e incluso su aplicación así como algunos de los términos relacionados con cada uno de los ya mencionados.
MARCO TEÓRICO. Antecedentes. El viento, cuyo aprovechamiento fue innegable por mucho tiempo y luego prácticamente en desuso, vuelve a verse hoy como una fuente de energía para satisfacer las necesidades de la humanidad en armonía con el medio ambiente.
Historia: La vela en el uso de las embarcaciones marítimas en el ejemplo más antiguo del que se tiene prueba alguna que el viento como energía eólica es utilizado desde tiempos memorables. Los molinos de viento se desarrollaron en Europa central, donde alemanes y españoles están entre los más representativos. Holanda no entra en el inca pie ya que sus molinos no eran para moler sino para bombear agua de las tierras más bajas del nivel del mar. Hoy en día son dos las aplicaciones más importantes de los sistemas eólicos: bombeo
de
agua
(aerogeneradores).
( aero-bombas)
y
generadores
de
electricidad
Figura 1. Aero-bomba.
Figura 2. Aerogenerador.
Orígenes del viento: El viento es originado por las diferencias de presión que se derivan del calentamiento no uniforme de la Tierra, desplazándose las masas de aire de las zonas de alta presión a las de baja. Se define entonces al viento como aire en movimiento. La radiación solar es más intensa en el ecuador que hacia los polos, lo que provoca que el aire se caliente más en el primero y –por convección – se eleva creando una zona de baja presión en la superficie terrestre y alta presión por encima de ésta. Cuando el viento caliente se dirige a los polos se va enfriando gradualmente y a una latitud alrededor de los 30º (Norte o Sur), comienza a bajar creando una zona de alta presión.
Figura 3. Corrientes de viento del planeta.
Parte de la masa de aire que baja retorna al ecuador y otra se dirige a los polos (a nivel de superficie); a unos 60º de latitud se encuentra con el viento que viene de los polos, por lo que se eleva formando otra zona de baja presión. En las zonas de baja presión las lluvias son frecuentes, mientras que en las de alta presión escasas; obsérvese un mapamundi y podrá notarse que en el ecuador se encuentran las principales selvas del mundo (Amazonas, África Central, Indonesia), a los 30º grandes desiertos (Sahara, Sonora, Gobi, Atacama, Australia) y a 60º zonas de abundantes nevadas (Canadá, norte de Europa, Rusia). Sabiendo pues, que el viento se origina por calentamiento del aire, debe entenderse también que a lo largo del año –por la posición relativa entre la Tierra y del sol – el calor recibido variará y por ende el viento, de manera estacional. Otro factor importante en el comportamiento del viento es la rotación de la Tierra. Esto ocasiona que los vientos se desvíen hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el sur, fenómeno conocido como efecto Coriolis.
Clasificación de los sistemas eólicos: 1.-Por la posición del eje Existen sistemas eólicos de eje vertical y horizontal. Los primeros ofrecen ventajas inherentes en su diseño: no requieren un sistema de orientación hacia la dirección del viento y la energía mecánica o eléctrica es recibida a nivel de suelo; por otro lado presentan desventajas importantes, como el hecho que la velocidad de viento junto al suelo se reduce por la rugosidad y, entonces, el sistema recibe diferente velocidad de viento a lo largo de su estructura, lo cual implica un menor rendimiento.
Figura 4. Aerogeneradores de eje vertical.
2.-Por la aplicación Actualmente hay dos aplicaciones básicas de los sistemas eólicos. Bombear agua, mediante un diseño sencillo como el rotor multi-pala americano (desarrollado en Estados Unidos hacia la mitad del siglo XIX y todavía utilizado hoy) y la generación de electricidad que es sin duda alguna la aplicación más difundida hoy en día.
Ecuación fundamental de la energía disponible en el viento: El viento es aire en movimiento y, por tanto, la energía contenida en él es cinética. La mecánica clásica indica que la energía cinética de un cuerpo de masa m a una velocidad V es:
1. Tratándose, no obstante, de un fluido, el análisis de la energía cinética del aire tiene que plantearse a partir de la masa de aire ṁ que atraviesa una vena de área A, a una velocidad V en un determinado tiempo t , esto es:
Figura 5. Masa de viento atravesando un área en un tiempo determinado.
La masa ṁ de densidad ρ que atraviesa dicha área en un segundo será:
2. Al sustituir ṁ de la ecuación 2 por m en la ecuación 1, se tiene que la energía cinética por segundo –o potencia cinética – del viento es:
3.
Aprovechar el viento requiere, obviamente, de un dispositivo que lo transforme en energía mecánica; tanto las aero-bombas y aerogeneradores vistos en el capítulo anterior son los sistemas más comunes para captar la energía del viento, ambos haciéndolo mediante rotores eólicos. La máxima cantidad de
energía que teóricamente un rotor puede obtener del viento fue determinada por el alemán Albert Betz, quien para ello supuso al rotor ubicado perpendicularmente al flujo de aire ṁ y dedujo que para obtener energía del viento necesariamente debe reducirse su velocidad, por lo que para que la masa permanezca constante, el área que debe ocupar el flujo de aire después del rotor se ensancha.
Figura 6. Área que ocupa el aire antes y después de atravesar las aspas.
Considérese que la velocidad del viento V a través del rotor sea el promedio de V1 y V2 es, decir:
4.
Densidad del aire Conforme a la ley de Boyle –Gay –Lussac , la densidad de un gas es proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura, es decir:
5. Donde ρ0 – Densidad del aire (kg/m3).
M – Peso molecular (kg/mol); el mol estándar del aire es 28.966g. p – Presión (N/m2); la presión a nivel del mar es 1 atm = 1.01325×105N/m2. R – Constante universal del gas (8.31434J/mol K). T – Temperatura absoluta (K); la temperatura estándar se asume en 15ºC.
La densidad del aire en condiciones estándar es
En la medida que la altura sobre el nivel del mar se incrementa, la presión atmosférica se reduce, disminuyéndose en consecuencia la densidad del aire. Para conocer la densidad a cualquier altura o presión atmosférica, puede usarse un factor de ajuste por altura que se calcula como sigue.
6. Done
CH – factor de ajuste por altura sobre el nivel del mar. P0 – presión atmosférica estándar (1 atm). P – presión atmosférica en el sitio de interés (atm).
La tabla 1 contiene el factor de ajuste de la densidad del aire en función de la altura sobre el nivel del mar a la que se instalaría un rotor eólico.
Tabla 1. Coeficiente de ajuste de altura.
La afectación de la temperatura en la densidad del aire puede determinarse mediante el factor de ajuste correspondiente
7.
Donde
CT – factor de ajuste por temperatura. T0 – temperatura estándar (288K). T – temperatura en el sitio de interés (K).
En la Tabla 2 se ofrece el factor de corrección para distintas temperaturas del aire.
Tabla 2. Coeficiente de ajuste por temperatura.
De este modo, la densidad del aire será
8.
Para la zona donde se instalará se tiene una densidad de
Método práctico simple para determinar la velocidad instantánea del viento con pelota de tenis
Figura 7. Método de la pelota de tenis para determinar la velocidad del viento.
Tabla 3. Valores angulares para la determinación de la velocidad del viento utilizando una pelota de tenis
Componentes de un aerogenerador: Uno de los principales papeles del ingeniero ha sido siempre resolver o proponer soluciones a problemas de la manera más eficaz posible a partir de su conocimiento. Antes de diseñar un aerogenerador debe saberse la electricidad que se necesita y la energía eólica disponible en el lugar. Si se determina con precisión tanto una como la otra, el diseñador tendrá un aerogenerador capaz de satisfacer las necesidades del usuario. Los aerogeneradores –antes y después de Betz – se constituyen de los mismos componentes básicos: un rotor (que gira con el viento), un generador (para obtener la electricidad), una transmisión (que transmite la energía mecánica del rotor al generador), un mecanismo de orientación (para mantener el rotor orientado a la dirección del viento), una torre (para sostener el rotor y aumentar la altura para mejorar la captación de energía) y un sistema de control de velocidad (para mantener el sistema en niveles seguros de operación).
La siguiente figura ilustra dichos componentes de aerogenerador
Rotor Transmisión
Timón Generador Torre Figura 8. Componentes de un aerogenerador.
Valores aerodinámicos típicos para algunos perfiles.
Tabla 4. Tabla de perfiles y sus valores aerodinámicos.
MEMORIA TÉCNICA. Materiales.
Baleros (rodamientos) de ¾ y ½ pulgada de diámetro interno.
2 Engranes helicoidales de 72 dientes y diámetro de 6 pulgadas.
2 piñones helicoidales de 12 dientes y diámetro de 1 pulgada.
Tubos de acero galvanizado de 1” y 1 -1/4” para el poste.
Placa de acero de 1/8 de espesor.
Caja metálica que se utilizará como cuerpo.
Metales varios reciclados.
Motor de corriente directa que se utilizará a modo de generador.
Herramientas y equipos.
Máquina de soldar de arco eléctrico.
Máquina de soldar de micro alambre.
Mini esmeriladora con discos de desbaste y de corte.
Herramientas varias.
Proceso de construcción. Poste: Se comienza con el poste que soportará todo el dispositivo. Este poste está hecho de dos tubos de diferentes diámetros con el fin de introducir uno dentro del otro y así tener un poste telescópico que nos permita darle más altura. El poste de 1” se introduce en el de 1 -1/4”. Con una tuerca soldada a
este último y un tornillo se pretende hacer un dispositivo de sujeción para mantener fijo el poste interno a una altura deseada. Para darle libertad de rotación al dispositivo, se le adapta un rodamiento al final del poste y a la base del aerogenerador.
Aspas y rotor: Las 3 aspas fueron proporcionadas por el C. Teniente de la Fuerza Aérea Mexicana y mecánico de aviación José García Xochicalli para ser puestas en funcionamiento. Estas aspas tienen una longitud de 96 cm y fueron fabricadas en fibra de vidrio y pasta (utilizada en el detallado automotriz), y para hacerlas más ligeras están rellenas con espuma de poliuretano. La intención del Teniente fue simular la forma de las alas de un pingüino, ya que cuentan con un buen perfil aerodinámico. Las 3 aspas van acopladas al rotor por medio de tornillería, y este va sujeto al eje principal del sistema de transmisión que aumentará las revoluciones que el mismo rotor entregue.
Tren de engranajes o Transmisión y generador: El tren de engranajes se elabora con la intención de obtener mayores velocidades de rotación en el eje del generador, para esto se decide utilizar dos pares de engranes (dos engranes y dos piñones) con una relación de transmisión de 1 a 6 para cada conjunto de engrane y piñón. El sistema de transmisión se monto en una estructura hecha con varilla cuadrada. Los rodamientos van fijos en esta estructura para darle a las flechas un buen punto de sujeción evitando que se desplacen. Estos rodamientos se sueldan con la máquina de micro alambre debido a que los baleros son muy delicados y no deben sufrir mucho daño.
Los ejes, donde van montados los engranes, se perforan de la siguiente manera:
El principal tiene un barreno en la cara frontal. En este barreno va el rotor. Este mismo eje se barrena transversalmente porque ahí es donde se sujetará el engrane para mantenerlo fijo y acoplado a la flecha.
El segundo eje se barrena en sentido de su eje de rotación para acoplarle el primer piñón y a estos dos elementos se les hace una perforación transversal para fijarlos el uno al otro. Como el eje anterior, se hace una perforación perpendicular al eje de rotación para fijar el engrane.
Por último, el segundo piñón sufre una perforación en su eje de rotación para acoplarle la flecha del generador, que también va montado en la estructura de varilla.
Caja o armazón: se consigue una caja metálica para usarse como el cuerpo y contenedor de los elementos internos del aerogenerador. A esta caja se la hacen dos refuerzos: uno en la parte inferior o la base, que es donde va sujeta al poste; y el otro se hace en la cara frontal donde se encuentra el rotor. Estos refuerzos se hacen con placa soldada de acero de 1/8 de espesor, para este paso se utiliza la máquina de soldar de arco eléctrico. En la parte posterior de la caja, se suelda una placa que servirá como acoplamiento para el timón.
Timón: El timón es una parte muy importante, ya que permite al aerogenerador posicionarse de frente al viento que sopla. Este se elaboró con la lámina de una repisa de un anaquel metálico y se acopla a la parte posterior de la caja o armazón del generador eólico. Se utiliza la mini esmeriladora para cortar la lámina y darle la forma deseada al timón.
Al final se pinta todo el armazón y timón, cuidando de no pintar los elementos móviles (rodamientos, engranes, ejes), y tenemos un aerogenerador listo para ser probado.
CÁLCULOS. Potencia captada por el rotor. Se tienen unas aspas de 96 cm de longitud, este dato se utiliza para obtener el área del rotor y así mediante la fórmula
Donde
ρ – Densidad del aire para la zona de ubicación del aerogenerador.
A – Área del rotor.
V – Velocidad de diseño.
Cp. – Coeficiente de potencia sugerido para el número de aspas.
Entonces tenemos que
( )
Velocidad del rotor. La velocidad del rotor se obtiene se determina mediante
Donde
Nr – Velocidad de rotación del rotor (RPM).
λd – Relación por el tipo de carga (aerogeneradores).
Vd. – Velocidad de diseño (m/s).
D – Diámetro del rotor (m).
Relación de transmisión. La relación de transmisión de un tren de engranajes, ya sean engranes rectos o helicoidales, se determina como sigue
Teniendo dos engranes motrices con 72 dientes y dos engranes conducidos con 12 dientes se obtiene
Para la transmisión existe una relación de 1:36, es decir, por cada giro que dé el rotor obtendremos 36 vueltas en el rotor del generador.
Rendimiento del sistema. El rendimiento para una transmisión de engranajes helicoidales se encuentra entre un 95 y 98%, y para el generador se tratará un rendimiento del 50%, así que, para este sistema se supondrá un rendimiento de
Teniendo el rendimiento del sistema se obtiene que la potencia suministrada por el generador será de
Donde
Pu – Potencia útil en el eje del rotor eólico (W).
Pe – Potencia eléctrica a la salida del generador (W).
ηs – Rendimiento del sistema.
Ahora se obtiene la Pe
CONCLUSIÓN. Nos encontramos en una época complicada para la humanidad, ya que los combustibles comúnmente utilizados están dañado severamente el medio ambiente. En busca de reducir los daños provocados al ambiente, se buscan alternativas a las fuentes de energía típicas, y entre estas alternativas se encuentras los generadores eólicos o aerogeneradores que pueden aprovechar eficazmente la energía cinética que llevan los vientos para así transformarla en energía eléctrica y suministrarla a la población que la requiera. La fabricación de aerogeneradores de poca capacidad puede ser una gran alternativa para las poblaciones que no tienen acceso a la energía eléctrica o que utilizan otros medios para obtenerlas (plantas generadoras que funcionan con gasolina u otros combustibles) que dañan el medio en el que viven. Lamentablemente el proceso para determinar las condiciones del lugar es muy largo (al menos 1 año) y hasta después de este tiempo de muchos estudios y captura de datos se pueden obtener las características de diseño de un aerogenerador para esa región estudiada.
