DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO TEMA: DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE UN PROTOTIPO EXPERIMENTAL DE AEROGENERADOR AEROGENERADOR TIPO TRIPALA PARA EL LABORATORIO DE ENERGÍAS RENOVABLES
ELABORADO POR: GALLEGOS MORALES FRANKLIN SEBASTIÁN PEÑAHERRERA MUÑOZ DAVID ANDRÉS
DIRECTOR: ING. NICOLÁS PÁEZ, MSc. CODIRECTOR: ING. JOSÉ GUASUMBA, MSc.
SANGOLQUÍ, DICIEMBRE 2014
i
CERTIFICACIÓN DE LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO El proyecto “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE UN
PROTOTIPO EXPERIMENTAL DE AEROGENERADOR TIPO TRIPALA PARA EL LABORATORIO DE ENERGÍAS RENOVABLES” fue realizado en su totalidad por Gallegos Morales Franklin Sebastián y Peñaherrera
Muñoz David Andrés , como requerimiento parcial para la obtención del título de Ingeniero Mecánico.
__________________ __________________
____________________ ____________________
Ing. Nicolás Páez, MSc
Ing. José Guasumba, MSc
DIRECTOR
CODIRECTOR
Sangolquí, Diciembre 10 del 2014
i
CERTIFICACIÓN DE LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO El proyecto “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE UN
PROTOTIPO EXPERIMENTAL DE AEROGENERADOR TIPO TRIPALA PARA EL LABORATORIO DE ENERGÍAS RENOVABLES” fue realizado en su totalidad por Gallegos Morales Franklin Sebastián y Peñaherrera
Muñoz David Andrés , como requerimiento parcial para la obtención del título de Ingeniero Mecánico.
__________________ __________________
____________________ ____________________
Ing. Nicolás Páez, MSc
Ing. José Guasumba, MSc
DIRECTOR
CODIRECTOR
Sangolquí, Diciembre 10 del 2014
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AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD Nosotros, Franklin Sebastián Gallegos Morales y David Andrés
Peñaherrera Muñoz en calidad de autores del proyecto titulado “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE UN PROTOTIPO EXPERIMENTAL DE AEROGENERADOR AEROGENERADOR TIPO TRIPALA TRIPALA PARA EL LABORATORIO LABORATORIO DE ENERGÍAS RENOVABLES”. Declaramos que el presente trabajo ha sido desarrollado en base a una investigación profunda, respetando derechos intelectuales de terceros conforme a las citas que constan en diferentes párrafos, figuras o tablas, cuyas fuentes se incorporan a la bibliografía. En virtud de esta declaración, nos responsabilizamos del contenido, veracidad y alcance científico del presente proyecto.
ELABORADO POR:
__________________ __________________
____________________ ____________________
Gallegos Morales
Peñaherrera Muñoz
Franklin Sebastián
David Andrés
Sangolquí, Diciembre 10 del 2014
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AUTORIZACIÓN Nosotros Franklin Sebastián Gallegos Morales y David Andrés
Peñaherrera Muñoz, en calidad de autores del proyecto titulado “DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y VALIDACIÓN DE UN PROTOTIPO EXPERIMENTAL DE AEROGENERADOR TIPO TRIPALA PARA EL LABORATORIO DE ENERGÍAS RENOVABLES” por medio de la presente autorizamos la publicación de esta tesis en el repositorio digital de la biblioteca Alejandro Segovia.
Atentamente
__________________
____________________
Gallegos Morales
Peñaherrera Muñoz
Franklin Sebastián
David Andrés
Sangolquí, Diciembre 10 del 2014
iv
DEDICATORIA A Dios, por haberme dado la fuerza para seguir adelante en momentos difíciles y constancia en alcanzar cada una de mis metas. A mi familia que me apoyó incondicionalmente motivándome durante toda mi trayectoria de formación. A mis profesores por guiarme, compartir sus conocimientos y brindarme las herramientas necesarias para culminar mi carrera con éxito. A mis compañeros, por todos los momentos que pasamos juntos, quienes depositaron en mí su confianza y me ayudaron en todo momento. Sebastián
A Dios, a la Virgen Dolorosa que siempre me han dado la fuerza para continuar en momentos difíciles. A mis padres que siempre me han apoyado en todo momento y me han enseñado a luchar por lo que quiero. A mis queridas hermanas que siempre me han servido como ejemplo de lucha ardua y generosidad sin límites. A mi novia novia que siempre me ha estado apoyando en los buenos y malos momentos. A mis amigos y compañeros, por todas las vivencias vivencias que han hecho hecho que la vida universitaria haya haya sido una época muy bonita en mi vida. David
v
AGRADECIMIENTO Mi eterna gratitud hacia todos quienes hacen de la Universidad de las Fuerzas Armadas un lugar admirable digno de reconocimiento. Por haberme dado la oportunidad de estudiar y ser un buen profesional. En tus aulas, corredores y canchas, pasé los mejores momentos, gracias querida Universidad. Sebastián
Mi eterno agradecimiento agradecimiento a la Virgen Dolorosa que siempre ha estado ahí conmigo, guiando cada uno de mis pasos y acompañándome en los buenos y malos momentos. Mi agradecimiento a toda la terna de docentes de esta gran Carrera que han sabido formarnos de la mejor manera. David
vi
ÍNDICE GENERAL CERTIFICACIÓN DE LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO ....................... .............. ......... I AUTORÍA DE RESPONSABILIDAD ............................................................. II AUTORIZACIÓN .......................................................................................... III DEDICATORIA ............................................................................................. IV AGRADECIMIENTO ...................................................................................... V ÍNDICE GENERAL ....................................................................................... VI ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................... IX ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................. XIII ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS .......................... ............. .......................... .......................... .......................... ................... ...... XIV RESUMEN ................................................................................................... XV CAPÍTULO 1.................................................................................................. 1 GENERALIDADES 1.1
ANTECEDENTES ........................... .............. .......................... .......................... .......................... ............... .. 1
1.2
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................ 3
1.3
ALCANCE DEL PROYECTO PROYECTO ......................... ............ .......................... .......................... ............. 4
1.4
JUSTIFICACIÓN ...................................................................... 4
1.5
OBJETIVOS ............................................................................. 5
CAPÍTULO 2.................................................................................................. 6 MARCO TEÓRICO 2.1
RECURSO EÓLICO ................................................................. 6
2.2
DENSIDAD DEL AIRE ............................................................ 20
2.3
PERFILES AERODINÁMICOS......................... ............ .......................... ...................... ......... 23
2.4
TEOREMA DE BERNOULLI .................................................. 26
2.5
FUERZA DE SUSTENTACIÓN Y FUERZA DE
RESISTENCIA .................................................................... 27 2.6
AEROGENERADORES ........................... ............. ........................... .......................... ................. .... 30
2.7
LEY DE BETZ......................................................................... 39
vii CAPÍTULO 3................................................................................................ 44
EXPERIMENTACIÓN EN EL TÚNEL DE VIENTO 3.1
PERFILES AERODINÁMICOS ............................................... 44
3.2
DISEÑO DEL PERFIL AERODINÁMICO ............................... 45
3.3
CONSTRUCCIÓN DEL PERFIL DE PRUEBA ....................... 49
3.4
METODOLOGÍA DE LA EXPERIMENTACIÓN ...................... 57
CAPÍTULO 4................................................................................................ 89 DISEÑO DE ELEMENTOS DEL AEROGENERADOR 4.1
CRITERIOS DE DISEÑO DEL AEROGENERADOR ............. 89
4.2
DISEÑO DEL AEROGENERADOR........................................ 96
4.3
CRITERIO DE DISEÑO DE LA PALA................................... 107
4.4
DISEÑO DE LA PALA DEL AEROGENERADOR ................ 112
4.5
DISEÑO DE SOPORTE Y ACOPLAMIENTO AL TÚNEL DE VIENTO ................................................................................ 116
4.6
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ........................................ 119
CAPÍTULO 5.............................................................................................. 125 CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PRUEBAS DEL AEROGENERADOR 5.1
PROCESOS DE CONSTRUCCIÓN ..................................... 127
5.2
CONSTRUCCIÓN DE COMPONENTES ............................. 127
5.3
MONTAJE ............................................................................ 130
5.4
PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO ............................. 135
5.5
PROCEDIMIENTO DE FUNCIONAMIENTO ........................ 135
5.6
LEVANTAMIENTO DE DATOS ............................................ 136
5.7
ANÁLISIS DE RESULTADOS .............................................. 137
CAPÍTULO 6.............................................................................................. 139 ANÁLISIS ECONÓMICO – FINANCIERO 6.1
ANÁLISIS ECONÓMICO ...................................................... 140
6.2
ANÁLISIS FINANCIERO ...................................................... 143
viii CAPÍTULO 7.............................................................................................. 144
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1
CONCLUSIONES ................................................................. 144
7.2
RECOMENDACIONES ........................................................ 147
BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 148
ix
ÍNDICE DE FIGURAS FIG.
CONTENIDO
PAG.
1
Matriz energética ............................................................................ 1
2
Proyección de capacidad instalada................................................. 2
3
Variación del viento según el tipo de suelo ..................................... 8
4
Anemómetro ................................................................................... 9
5
Veleta........................................................................................... 10
6
Fenómeno de Coriolis y los vientos dominantes ......................... 13
7
Cinturones de circulación............................................................ 14
8
Viento Geostrófico ...................................................................... 15
9
Brisa en la costa en día .............................................................. 16
10
Brisa en la costa la noche ........................................................... 16
11
Viento en la mañana ................................................................... 17
12
Viento en la noche ....................................................................... 17
13
Intradós y extradós ...................................................................... 24
14
Partes del perfil aerodinámico...................................................... 25
15
Diagrama de fuerza en la pala ..................................................... 27
16
Diagrama de Fuerzas en el perfil Aerodinámico .......................... 28
17
Coeficiente de sustentación ......................................................... 29
18
Coeficiente de arrastre................................................................. 30
19
Curva polar .................................................................................. 30
20
Molino de viento ........................................................................... 31
21
Aerogeneradores de eje vertical .................................................. 32
22
Darreius ....................................................................................... 33
23
Acción del viento sobre el Savonius ............................................ 34
24
Aerogenerador Savonious ........................................................... 35
25
Aerogeneradores de eje horizontal .............................................. 36
26
Aerogenerador mono pala ........................................................... 37
27
Aerogenerador bipala ................................................................... 37
28
Aerogenerador tripala ................................................................... 38
29
Aerogenerador multipala ............................................................... 39
30
Volumen de control para límite de Betz ....................................... 40
31
x Límite de Betz .............................................................................. 42
32
Especificaciones perfil NACA 4415.............................................. 46
33
CL vs ángulo de ataque NACA 4415 ........................................... 47
34
Curva polar NACA 4415 .............................................................. 47
35
Dimensiones generales del perfil ................................................. 49
36
Distribución de capilares .............................................................. 50
37
Geometría del NACA 4415 .......................................................... 51
38
Puntos del 4415 ........................................................................... 51
39
Vista explotada del perfil .............................................................. 52
40
Impresora 3D de la ESPE ........................................................... 53
41
Instrumentación del perfil ............................................................. 54
43
Tubo en U vertical ........................................................................ 58
44
Tubo en U inclinado ..................................................................... 59
44
Transformador DC ....................................................................... 66
45
Comparador de reloj en banco..................................................... 66
46
Peso de las vigas ......................................................................... 67
47
Dimensiones de las vigas ............................................................ 68
48
Presión medida vs presión de sustentación................................. 73
49
Distribución de presiones sobre un perfil ..................................... 74
50
Método de la estela....................................................................... 75
51
% de error promedio en ambos métodos prácticos...................... 77
52
Resultados método práctico de la estela ..................................... 77
53
Lectura de presiones en el extradós α=12 ................................... 79
54
Lectura de presiones en el intradós α=12 .................................... 79
55
Curva de distribución de presiones α=12..................................... 80
56
Curva de distribución de velocidades α=12 ................................. 80
57
Coeficientes de presión Cp α=12 ................................................. 81
58
CL práctico @ Re 450000............................................................ 82
59
CL teórico XFOIL ....................................................................... 82
60
Comparación de CL práctico vs teórico ....................................... 83
61
CD práctico @ Re450000 ............................................................ 83
62
CD Teórico XFOIL ..................................................................... 84
63
Comparación CD práctico vs teórico............................................ 84
64
xi CL vs CD @ Re 450000 .............................................................. 85
65
CL vs CD XFOIL .......................................................................... 85
66
Comparación CL v CD ................................................................. 86
67
Velocidades sobre un perfil alar ................................................... 87
68
Formato eppler @ Re 100000 ..................................................... 88
69
Ángulo óptimo NACA4415 @Re 46000 ....................................... 88
70
TSR vs rendimiento aerodinámico ............................................... 92
71
TSR Vs Cp ................................................................................... 92
72
Potencia del viento en función de la velocidad ............................ 97
73
Potencia generada en función de la velocidad ............................ 98
74
Potencia Neta en función de la velocidad del viento .................... 99
75
Rpm en función de la velocidad del viento ................................ 100
76
Fuerzas sobre eje, plano XZ ..................................................... 103
77
Diagrama de cortantes, plano XZ ............................................. 103
78
Diagrama de momentos, plano XZ ........................................... 103
79
Fuerzas sobre eje, plano YZ ..................................................... 104
80
Diagrama de cortantes, plano YZ ............................................. 104
81
Diagrama de momentos, plano YZ ........................................... 104
85
Relación entre el coeficiente de solidez y el TSR ..................... 108
86
Ángulos y velocidades sobre el perfil en r=0.7R ....................... 109
87
Àngulos y velocidades sobre el perfil en función de r ............... 110
88
Dimensiones de la estructura de soporte.................................. 116
89
Deflexiones y fuerzas en la estructura ...................................... 117
90
Distribución de momentos en la estructura ............................... 118
91
Distribución de esfuerzos en la estructura ................................ 119
92
Encoder .................................................................................... 120
93
Amplificador .............................................................................. 121
94
Conversión de señal ................................................................. 122
95
Regulador de voltaje ................................................................. 123
96
Microcontrolador ....................................................................... 123
102
Montaje plancha........................................................................ 130
103
Chumacera ............................................................................... 130
104
Eje distancia entre apoyos ........................................................ 131
105
xii Montaje palas........................................................................... 131
106
Montaje rotor ............................................................................ 132
107
Montaje mecanismo de transmisión......................................... 132
108
Acople al aerogenerador......................................................... 133
109
Freno del aerogenerador ........................................................ 133
102
Accesorios del equipo ............................................................. 134
103
Isometría del equipo ............................................................... 134
112
Display de parámetros del aerogenerador .............................. 136
113
RPM vs Vviento experimental .................................................... 137
114
Voltaje vs Vviento experimental ................................................. 137
115
Corriente vs Vviento experimental.............................................. 138
116
Potencia vs V viento experimental .............................................. 138
xiii
ÍNDICE DE TABLAS TABLA
CONTENIDO
PAG.
1
Escala Beaufort ........................................................................... 11
2
Dirección del viento según su Latitud .......................................... 13
3
Clases y Tipos de Rugosidad ...................................................... 19
4
Propiedades de la atmósfera a gran altitud ................................. 22
5
Especificaciones técnicas de la prototipadora de la ESPE .......... 53
6
Propiedades del ABS ................................................................... 55
7
Rango de velocidades del túnel ................................................... 62
8
Desempeño del motor DC ........................................................... 65
9
Cálculo de Reynolds y Mach @ 34 m/s ....................................... 78
10
TSR y solidez según el tipo de aerogenerador ............................ 90
11
TSR y CL/CD según el tipo de máquina ...................................... 91
12
Datos de diseño del aerogenerador............................................. 96
13
Potencia del viento a diferentes velocidades de viento ............... 97
14
Potencia generada a diferentes velocidades de viento ................ 98
15
Potencia Neta a diferentes velocidades de viento ....................... 99
16
Velocidad de giro del aerogenerador a diferentes velocidades. 100
17
Especificaciones técnicas de microcontrolador ......................... 124
18
Materiales e insumos del prototipo ............................................ 126
19
Experimentación a diferentes velocidades de viento ................. 136
20
Materiales directos de fabricación ............................................. 140
21
Insumos ..................................................................................... 140
22
Mano de obra directa ................................................................. 140
23
Materiales indirectos de fabricación........................................... 141
24
Herramientas ............................................................................. 141
25
Mano de obra indirecta .............................................................. 142
xiv
ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS FOTO
CONTENIDO
PAG.
1
Manómetro multitubo ................................................................. 57
2
Túnel de viento subsónico ......................................................... 60
3
Medidor de fuerzas de tres apoyos............................................ 63
4
Fresado del rotor ..................................................................... 127
5
Torneado del eje ...................................................................... 128
6
Taladrado de chumacera ......................................................... 128
7
Ensamble bastidor ................................................................... 129
ÍNDICE DE ANEXOS ANEXOS ANEXO A DIAGRAMAS DE CONSTRUCCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL AEROGENERADOR . Bastidor Soporte rodamientos Eje Soporte Palas Palas
ANEXO B RESULTADOS DE LA EXPERIMENTACIÓN EN EL TÚNEL DE VIENTO A DIFERENTES VELOCIDADES Y ÁNGULOS DE ATAQUE .
Reynolds 10000 Reynolds 130000 Reynolds 200000 Reynolds 280000 Reynolds 380000 Reynolds 450000
ANEXO C DATOS HISTÓRICOS DEL VIENTO EN SANGOLQUÍ PLANOS
xv
RESUMEN El presente trabajo tiene como principal objetivo el diseño y construcción de un prototipo de aerogenerador tripala, previo el estudio aerodinámico del perfil NACA 4415 en el túnel de viento subsónico del Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la ESPE; a diferentes velocidades y ángulos de ataque. Se espera determinar experimentalmente el ángulo óptimo del perfil NACA 4415, dicho ángulo presenta la mayor relación entre el coeficiente de sustentación y el coeficiente de arrastre CL/CD, para esto se aplicará la metodología de distribución de presiones sobre el perfil y la medición de fuerzas con balanza. Los datos se validarán con el software comercial XFOIL. Dentro del estudio se considerará la densidad del aire en Sangolquí, a una altura de 2400 msnm y se evaluará experimentalmente la afectación de dicho parámetro en los resultados. El principal método de fabricación del perfil de prueba y las palas del aerogenerador es la impresión 3D o prototipado, cuya materia prima es el plástico ABS. La metodología aplicada en el diseño del aerogenerador y sus componentes es la misma que se utiliza en aerogeneradores tripala de baja, media y alta potencia. El prototipo de aerogenerador servirá para poder realizar estudios futuros comparativos entre diferentes perfiles aerodinámicos, diseños de pala número de palas, etc, en el Laboratorio de Energías Renovables de la ESPE.
PALABRAS CLAVE: Aerogenerador Tripala, Impresión 3d, Estudio Ángulo óptimo, Túnel viento, Naca4415
xvi
SUMMARY The present work shows the design and construction of a three-bladed wind turbine prototype. It also illustrates the aerodynamic study of a NACA 4415 airfoil in the subsonic wind tunnel at ESPE’s Fluid Mechanics Laboratory; using different speeds and angles of attack. One of the objectives is to experimentally determine the optimum angle of the airfoil mentioned above, this angle has the highest ratio between the lift coefficient and the drag coefficient CL / CD, we will use the pressure distribution on the profile and force measurements with a balance. The results will be validated with the commercial software XFOIL. The study will consider the air density at Sangolquí, at an altitude of 2400 mosl and the effect of this parameter on the results will be experimentally evaluated. The main process of manufacturing the test profile and the wind turbine blades is going to be 3D printing that uses ABS plastic as the main construction material. The methodology applied in the design of the wind turbine and its components is the same as the one used for low, medium and high power three-bladed wind turbines. The prototype could be used for future comparative studies between different airfoils, blade designs, number of blades, etc, at the ESPE ’s Renewable Energy Laboratory.
KEYWORDS: Three-Bladed Wind Turbine, 3D Printing, Optimum Angle Study, Wind Tunnel, Naca 4415.
1
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
1.1 ANTECEDENTES (Senplades) (ceda) Actualmente la matriz energética del Ecuador determina que la oferta energética total, está concentrada en un 96% en petróleo crudo y gas natural, quedando las energías renovables (hidroelectricidad y biomasa) relegadas a un 4% de la producción nacional.
Figura 1 Matriz energética (Senplades) Con el actual gobierno se han creado nuevas políticas que tratan de cambiar la actual matriz energética fundamentadas principalmente en los objetivos del plan nacional del buen vivir El cambio de la matriz energética tiene varios componentes entre los cuales el principal es:
2 “La participación de las energías renovables debe incrementarse en la producción nacional. Para el cumplimiento de este objetivo, los proyectos hidroeléctricos del Plan Maestro de Electrificación deben ejecutarse sin dilación; y, adicionalmente, debe impulsarse los proyectos de utilización de otras energías renovables: geotérmica, biomasa, eólica y solar. ” Durante el período de 1990 a 2008, en promedio, el 62,6% de la electricidad se generó a base de fuentes hidroeléctricas. El restante 34,6% proviene de fuentes térmicas y el 2,8% de la interconexión con Colombia y Perú. La evolución de la matriz eléctrica en las últimas dos décadas muestra que la importancia de la hidroelectricidad decrece mientras la energía de centrales termoeléctricas, generada con combustibles fósiles y en poca cantidad con biomasa, aumenta. Junto a la importación de electricidad de los dos países, las termoeléctricas han empezado a soportar el crecimiento de la demanda de electricidad en Ecuador.
Figura 2 Proyección de capacidad instalada (Senplades) Actualmente se ha implantado la Central Eólica Galápagos, ubicada en la Isla de San Cristóbal, con una potencia instalada de 2,4 MW y una energía media estimada de 3,20 GWh/año Parque eólico Villanaco en Loja, el primero del mundo ubicado a más de 2729 metros sobre el nivel del mar podrá generar 16.5MW El Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica de la Universidad de las Fuerzas Armadas actualmente posee el Laboratorio de Energías
3 Renovables que apoya a la capacitación, entrenamiento y profesionalización de los nuevos Ingenieros Mecánicos, con el propósito de contribuir a la solución del problema energético del país mediante el análisis del potencial energético existente, uso de medios de producción limpia para el desarrollo sostenible y sustentable y con clara conciencia medioambiental.
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA La electricidad en nuestro país en su mayoría es obtenida de fuentes hidráulicas. En los últimos años el nuevo gobierno ha implementado nueva tecnología para la generación de energía eléctrica, como lo es la energía eólica, y se espera que en el futuro este porcentaje aumente considerablemente; sin embargo todo el equipo de generación eólica es importado sin tener ningún tipo de aporte tecnológico nacional. Entre las varias asignaturas que imparte el Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica de la Universidad de las Fuerzas Armadas, se encuentran las de “Mecanica de Fluidos” y “Energías no convencionales” cuyo enfoque se centra en el estudio de los fluidos y fuentes de energía natural no provenientes de hidrocarburos, entre estas, la energía eólica . El Laboratorio de Energías no Convencionales de la Universidad de las Fuerzas Armadas brinda facilidad de aprendizaje a los estudiantes mediante la práctica y la observación directa del funcionamiento de máquinas cuyo objetivo principal es la transformación de energía. Por esta f acilidad brindada se pretende hacer el estudio de las palas de un aerogenerador, para poder diseñar y construir un prototipo de aerogenerador tipo Tripala y así sentar bases de estudios realizados en ciudades sobre 200msn los cuales no existen al momento . Es preciso realizar trabajos de investigación para conservar el Laboratorio de Energías no Convencionales actualizado acorde con nuevas tecnologías y demandas energéticas actuales del país
4
1.3 ALCANCE DEL PROYECTO El presente proyecto tiene como alcance, el diseño, construcción y validación de un prototipo experimental de aerogenerador tipo tripala similares a unidades existentes en el mercado pero que su operación, comportamiento y desempeño se encuentren dentro de parámetros y variables acorde al Laboratorio de Energías no Convencionales Construcción del perfil de álabe más idóneo para trabajar en las condiciones predefinidas; previo simulaciones en el túnel de viento del Laboratorio de Mecánica de Fluidos. Seleccionar e implementar la instrumentación adecuada para analizar y evaluar el comportamiento y el desempeño del prototipo experimental en condiciones geográficas y ambientales en alturas superiores a los 2000 metros sobre el nivel del mar Diseño y construcción de un sistema de acoplamiento del prototipo experimental al túnel de viento subsónico
(marca: Plint-Partners)
perteneciente al laboratorio de mecánica de fluidos del DECEM para la toma de datos Validación del prototipo experimental en condiciones geográficas y ambientales predefinidas
1.4 JUSTIFICACIÓN El incremento de la aplicación de energías renovables en nuestro país es considerable hoy en día, por la imperiosa necesidad de satisfacer una demanda creciente de energía, y también por la disminución de la capacidad energética proveniente de la explotación de hidrocarburos y las nuevas políticas gubernamentales que tratan de cambiar la matriz energética enfatizando la proveniente de energías renovables. Sin embargo el desarrollo de tecnología para la Aero generación no ha tenido un gran avance en nuestro país y recientemente se la está considerando y ha empezado a formar parte de la matriz eléctrica en pequeños porcentajes.
5 Por esto, se requiere realizar la investigación y desarrollo de esta tecnología que permita obtener datos, resultados, factores y variables de acuerdo a las condiciones de nuestro país y se pueda implementar tecnología eólica ecuatoriana.
1.5 OBJETIVOS 1.5.1 OBJETIVO GENERAL Diseño y construcción de un prototipo experimental de aerogenerador para el Laboratorio de Energías no Convencionales del DECEM.
1.5.2 Objetivos específicos
Realizar los ensayos aerodinámicos del perfil variando el caudal del viento y ángulo de inclinación.
Definir los parámetros de funcionamiento del aerogenerador de acuerdo con las características del túnel de viento (marca: PlintParteners) del laboratorio de mecánica de fluidos.
Dimensionamiento y construcción del aerogenerador.
Caracterizar los parámetros de funcionamiento del aerogenerador.
6
CAPÍTULO 2
2.
MARCO TEÓRICO
2.1 RECURSO EÓLICO (Creus) El recurso eólico es la energía del viento presente en un lugar puntual o en una zona específica que se aprovecha para la generación de electricidad y que responde a la necesidad de conocer las características del viento. La cuantificación del recurso eólico se la realiza mediante la evaluación de datos como la velocidad del viento, la temperatura, densidad, humedad a diferentes alturas durante un tiempo determinado (por lo menos un año) con lo cual se puede calcular la distribución de velocidades, el viento en altura, la rosa de los vientos, la promedios mensuales, anuales y demás datos que son necesarias para conocer la potencia que podrá utilizarse con uno o varios generadores eólicos. La evaluación de recurso eólico de un lugar puntual o en una zona específica presenta tres pasos principales
La elaboración de un mapa eólico a partir de los datos del viento registrados por las estaciones meteorológicas a través del tiempo.
La recopilación de indicadores indirectos (evidencias geológicas y ecológicas) de la velocidad y la dirección del viento.
7 La prospección eólica detallada de sitios considerados promisorios por al menos una de las investigaciones anteriores, mediante torres anemométricas de hasta 100m de altura. Los resultados de la prospección eólica son importantes para la toma de
decisiones al momento de ubicar un parque eólico.
2.1.1 EL VIENTO Y SU MEDICIÓN (Diez Preguntas y Respuestas sobre Energía Eólica) El viento se define como el aire en movimiento y su estudio es casi limitado para movimiento totalmente horizontal. El viento constituye uno de los componentes principales del clima La causa fundamental para el origen del viento es la diferencia de la presión atmosférica entre un lugar y otro. Esta diferencia de presión constituye el gradiente horizontal de la presión atmosférica. El sentido que rige el movimiento del aire se establece desde las presiones altas hacia las presiones bajas. En la medida que aumente el gradiente de presión atmosférica aumentara la velocidad del aire en un punto determinado. El viento requiere de dos medidas, la velocidad y la dirección que las dos son independientes entre sí, por lo que para medirlas se necesitan dos instrumentos distintos, el anemómetro y la veleta. Con el objetivo de eliminar en lo posible los efectos producidos por el rozamiento del suelo, los instrumentos que miden la velocidad y la dirección del viento(anemómetro y veleta) se ubican a una altura estándar de 10 m sobre una superficie plana y despejada del suelo, así los valores obtenidos son similares a los tomados en estaciones meteorológicas. La velocidad del viento tiende a aumentar a medida que incrementa su altura sobre el suelo, esto se debe a que el viento a baja altura choca contra el suelo, vegetación, edificios, y otros obstáculos que por ende reducen su velocidad. En la figura 2.1 se muestra un esquema de como variaría la velocidad del viento en un terreno plano
y sin obstrucciones en este caso en el mar
8 abierto. Al ras del suelo la velocidad del viento es prácticamente nula y va en aumentando relativamente rápido en primera instancia y más lentamente después. Si el terreno presenta vegetación, obstáculos naturales u obras civiles, el perfil se hace mucho más complicado, pues estos objetos perturban el flujo de aire, lo que reduce la velocidad tanto delante como detrás de ellos.
Figura 3 Variación del viento según el tipo de suelo (Argentinas Energías)
Una aproximación, la velocidad del viento a una altura
, medida en
metros sobre el suelo, puede estimarse mediante la Ley de la Séptima Potencia
⁄
(2.1)
Por ejemplo si se desea medir la velocidad del viento a 50m del suelo
sabremos que va a ser 26% mayor que a 10m.
2.1.1.1
ANEMÓMETRO
Los anemómetros más usados son los rotativos que poseen un rotor y tres copas que el viento los hace girar a una frecuencia proporcional a la velocidad del viento y es perpendicular a su eje de rotación.
9
Figura 4 Anemómetro (Wikipedia) La limitación del anemómetro de copas es la inercia de sus piezas móviles, que demora su reacción ante los cambios bruscos de velocidad o dirección del viento, otra limitación es que solo pueden hacer mediciones bidimensionales del viento, aunque en este caso solo se necita la velocidad horizontal.
2.1.1.2
VELETA
La veleta
es un dispositivo que consta de un eje giratorio y
una placa que giran libremente, es encargada de indicar la dirección del viento, que es un punto del horizonte de donde proviene el viento, por ser este el punto hacia donde se señala la veleta. El peso está distribuido equitativamente a cada lado del eje giratorio así el puntero pueda moverse libremente sobre su eje, pero el área de superficie está dividida desigualmente. El lado con el área superficial mayor es soplado lejos de la dirección del viento mientras el lado menor y el puntero, es pivotado para ponerse de cara hacia la dirección del viento.
10
Figura 5 Veleta (Wikipedia) 2.1.2 ESCALA DE BEAUFORT (Menéndez) La escala Beaufort es una medida empírica que se usa para estimar la fuerza de los vientos a partir de sus efectos observables a simple vista en la tierra o en el mar abierto. Los efectos observables del viento en tierra, establecidos por la escala Beaufort se indican en la siguiente tabla:
11
Tabla 1 Escala Beaufort Escala de Beaufort
⁄
Velocidad media
Beaufort
Descripción
Consecuencias
0
Sin viento
< 0,2
No se nota el viento. El humo asciende verticalmente
1
Brisa muy débil
0,3 a 1,5
El humo indica la dirección del viento
2
Brisa débil
1,6 a 3,3
El viento se nota en la cara, se mueven las hojas, empiezan a girar los molinos
3
Brisa Moderada
3,4 a 5,4
Ondean las banderas y se agitan las hojas
4
Brisa Fresca
5,5 a 7,9
El viento levanta polvo. El viento despeina
5
Brisa Fuerte
8,0 a 10,7
Se mueven los arbustos, se forman ondulaciones en las superficies de agua. Resulta difícil el uso de paraguas, se agitan grandes ramas, silban los cables de las líneas eléctricas Se hace difícil andar contra el viento, los árboles se agitan completamente Es muy difícil andar contra el viento, las ramas pequeñas se rompen
6
Viento Fresco
10,8 a 13,8
7
Viento Fuerte
13,9 a 17,1
8
Viento Duro
17,2 a 20,7
9
Viento muy Duro
20,8 a 24,4
El viento arranca chimeneas, antenas y tejas
10
Temporal
24,5 a 28,4
Las personas adultas no pueden mantenerse en pie, los edificios sufren daños de consideración
11
Borrasca
28,5 a 32,6
Grandes estragos en casas y arboles
12
Huracán
> 32,6
Grandes destrozos y destrucción de magnitud catastrófica
12 Esta escala fue creada en 1805 por el almirante de la armada Inglesa Francis Beaufort. En 1850 se adoptó para la aplicación no naval y se dieron grados numéricos del 0 al 12, estandarizados en 1923 por George Simpson, quien era Director de la oficina de meteorología del Reino Unido. En la actualidad la escala de Beaufort es reconocida por la Organización Meteorológica Mundial (WMO), se extiende hasta el grado 17 y la velocidad media del viento está dada a una altura de 10m del suelo en función de la Fuerza Beaufort del viento que se determina mediante esta for mula
Donde:
( 2.2)
Además la escala de Beaufort es compatible con la escala Saffir-
Simpson para medir la fuerza de los huracanes, de tal manera que las categorías del 1 al 5 de la escala Saffir-Simpson coinciden con los grados del 12 al 16 de la escala de Beaufort.
2.1.3 FUERZA DE CORIOLIS Coriolis fue un matemático francés (1795-1843) que observo que un objeto de masa
que se desplazaba con velocidad angular constante ω,
experimenta un velocidad tangencial tan grande como sea la separación al centro. Si el objeto se va alejando gradualmente del centro, la variación de su velocidad adquirirá una aceleración, la cual aparecerá debido a la existencia de una fuerza sobre la masa del objeto. Estas son respectivamente la fuerza y aceleraciones Coriolis, que son perpendiculares al desplazamiento del objeto. El fenómeno de Coriolis es el responsable de que al vaciar un depósito se forme un remolino con sentido de giro hacia la derecha en el hemisferio norte y con sentido de giro hacia la izquierda en el hemisferio sur. Por el mismo motivo es la causa de que los lechos de los ríos sean más profundos en un lado que el otro y que las rieles de los trenes se desgasten más a un lado que al otro. En cambio en la línea Ecuatorial se aprecia que las nubes
13 en el hemisferio Norte se desviarían hacia la derecha, mientras que en el hemisferio sur las nubes se dirigirán hacia la izquierda
Figura 6 Fenómeno de Coriolis y los vientos dominantes (Cambio Climatico) Tabla 2 Dirección del viento según su Latitud Latitud
Dirección del Viento
90-60°N
NE
60-30°N
SW
30-0°N
NE
0-30°S
SE
30-60°S
NW
60-90°S
SE
2.1.4 CINTURONES DE PRESIÓN La radiación solar calienta más en el Ecuador, con lo que el aire asciende se enfría descendería en el polo Norte si no fuera por la fuerza de
14 Coriolis. Debido a ella, el aire desciende hacia el paralelo 30°. De forma análoga, en los polos el aire frio desciende, recoge calor y asciende nuevamente hacia el paralelo 60°. Se forman así las zonas de presiones bajas entre 60°N y 60°S, zonas de presiones altas entre 30°N y 30°S, y el cinturón ecuatorial de bajas presiones. Estos cinturones de presión, son influidos por los vientos y por la rotación de la Tierra. A nivel mundial, existen zonas con una actividad atmosférica definida y constante durante meses, los vientos del Oeste, los vientos alisos en el hemisferio Norte y los monzones y los alisos en el Ecuador. Los cinturones de presión combinados con la fuerza de Coriolis establecen la disposición de corrientes en las zonas mundiales de altas y bajas presiones.
Figura 7 Cinturones de circulación (Creus) 2.1.5 VIENTO GEOSTRÓFICO (Creus) El viento geostrófico se considera una aproximación física al viento real en el que existe un equilibrio entre la fuerza de Coriolis y la fuerza generada por el gradiente de presión. Una serie de isobaras rectilíneas ubicadas en el hemisferio norte generan un viento acelerado en dirección perpendicular a las isobaras, desde la alta presión hacia la baja. Esta aceleración de las masas de aire, combinada con la aceleración de Coriolis, da como resultado una aceleración inclinada, perpendicular a la trayectoria de la masa de aire.
15 Mientras esta masa va cruzando las isobaras a mayor velocidad, se ira inclinando cada vez más ya que, en todo momento, la aceleración de Coriolis continua siendo perpendicular al movimiento de la masa de aire. El proceso continua hasta que las dos aceleraciones nombradas anteriormente quedan opuestas y se anulan mutuamente, quedando como resultante la velocidad alcanzada por el aire y el sentido será paralelo a las isobaras, que es llamado viento geostrofico y se encuentra en alturas de terreno sobre los 1000m y su velocidad se mide mediante globos meteorológicos.
Figura 8 Viento Geostrófico (Creus) 2.1.6 BRISAS DE LA COSTA Y EL MAR (Asociacion Nacional de Ingenieros de ICAI) La brisa (costa y mar), es la consecuencia del calentamiento que tiene el mar y la tierra. Estos movimientos circulatorios serán más grandes cuanto más fuerte sea la energía solar, es decir en estaciones de calor y en días despejados. Durante el día la tierra se calienta por el sol más rápidamente que el mar, son lo que el aire asciende y deja una depresión. Se establece así una corriente de aire desde el mar (temperatura más fría) a la tierra (temperatura más caliente) que se llama virazón.
16
Figura 9 Brisa en la costa en día (Creus) En cambio durante la noche la tierra se enfría más rápidamente que el mar y la corriente de aire es inversa, desde la tierra hacia el mar. Esta corriente de aire se denomina terral.
Figura 10 Brisa en la costa la noche (Creus) 2.1.7 VIENTOS DE MONTAÑA/VALLE Estos vientos se crean entre la montaña y el valle. Durante el día se calientan más las laderas de la montaña que el suelo del valle, por lo que el aire caliente de la montaña sube creándose una pequeña baja presión relativa de la ladera, mientras que el aire más frio que esta alto sobre el valle desciende y comprime el aire pegado al valle haciéndolo subir por las laderas de la montaña para ocupar al baja presión de la ladera, cerrándose así el sistema de circulación del aire.
17
Figura 11 Viento en la mañana (Creus)
Figura 12 Viento en la noche (Creus) 2.1.8 OROGRAFIA DEL TERRENO El viento al soplar sobre los accidentes orográficos del terreno, genera algunos fenómenos como los descritos a continuación:
En lo alto de una montaña redondeada genera ascendencias sin turbulencias
Un viento suave al chocar con aristas montañosas u obstáculos grandes (casas, torres de luz eléctrica, antenas etc.) genera vientos rotores es decir que giran sobre sí mismos, si el viento es demasiado fuerte produce turbulencias.
Las salientes pueden producir grandes turbulencias en la cima y fuertes descendencias
En el fondo de una depresión montañosa la turbulencia es fuerte
18 Un viento laminar produce turbulencia al chocar con terrenos de pendiente pronunciada.
El aire caliente laminar fluyendo sobre una valle con aire fría inmóvil puede producir cizallamiento, que es al cambio rápido en la dirección y en la intensidad del viento que se presenta verticalmente en un espacio reducido.
Mientras más accidentada sea la orografía del terreno, más se disminuirá la velocidad del viento. Para poder tener una apreciación de la orografía se recurre a la rugosidad del terreno, que permite evaluar las condiciones del viento. El término longitud de rugosidad
es la altura sobre el terreno del
punto en el que la velocidad teórica del viento es 0. La expresión en metros de la rugosidad es:
Donde
(2.3)
En la siguiente tabla se indica las clases y las longitudes de rugosidad.
19
Tabla 3 Clases y Tipos de Rugosidad Clase de Rugosidad
Longitud de Rugosidad
Índice de Energía
0
0,0002
100
0,5
0,0024
73
Tipo de Paisaje
Superficie de Agua. Terreno abierto con superficie suave. Pista de aeropuertos. Hierba segada Área de agricultura abierta sin vallas, sin
1
0,03
52
setos y con edificios muy desperdigados Terreno de agricultura, con algunas
1,5
0,055
45
casas, setos de 8m de altura a 1250m de distancia Terreno de agricultura con algunas
2
0,1
39
casas y cubiertas o setos de 8m de alto a 500m de distancia Terreno de agricultura con muchas
2,5
0,2
31
casas, arbustos plantas o setos de 8m de alto a 250m de distancia Pueblos, pequeñas ciudades, tierra de
3
0,4
24
agricultura con muchos setos y cubiertas altas, bosques y terreno accidentado y desigual
3,5
0,8
18
4
1,6
13
Ciudades grandes con edificios altos Ciudades grandes con edificios altos y rascacielos
20
2.2 DENSIDAD DEL AIRE (Catálogo densidad) La densidad del aire varía por dos elementos principales que son presión atmosférica (relacionada directamente con la altura) y temperatura. En la atmósfera terrestre la altura está inversamente proporcional a la presión sobre el nivel del mar. A más altura, la presión del aire es menor. La presión es directamente proporcional a la densidad, así que mayor presión equivale a mayor densidad, pero el aumento de la temperatura reduce la densidad como en el dicho "el aire caliente sube, el frío baja". Para el cálculo de la densidad del aire en función de la temperatura y de la presión atmosférica partimos de la ecuación del gas ideal:
(2.4)
Dónde:
Sabemos ahora que la densidad es igual a:
Dónde:
Podemos calcular la masa de la siguiente manera:
(2.5)
Dónde:
21
(2.6)
Y definimos una constante para el aire bajo la siguiente consideración:
Dónde:
(2.7)
Combinando las ecuaciones (2.5)(2.6)(2.7) tenemos:
Dónde:
(2.8)
Cabe mencionar las condiciones geográficas y ambientales del
Laboratorio de Mecánica de fluidos:
Altura Sangolquí: 2535 msnm
22 Interpolando de la tabla A-16 de Cengel obtenemos una presión de 74367.75 Pa. Y reemplazando en la ecuación (2.8) D = (74367.75) / (287.05 * (20 + 273.15)) = 0.8837658023 kg/m3
Tabla 4 Propiedades de la atmósfera a gran altitud
(Cengel, Sexta edición, pagina 929 tabla A-16)
23
2.3 PERFILES AERODINÁMICOS Las secciones transversales de las palas de un aerogenerador son perfiles aerodinámicos muy similares a los utilizados por los aviones, no obstante, la forma básica es siempre la misma para ambos casos. Considerando que los aerogeneradores trabajan a moderados números de Reynolds
a diferencia de los aviones que trabajan a altos
. Es
primordial obtener un diseño de perfil aerodinámico que nos brinde baja resistencia, un buen coeficiente de sustentación que permita extraer la máxima potencia del viento y que la región del perfil sobre la cual el flujo es laminar, sea máxima.
2.3.1 PERFILES NACA El comité aeronáutico americano NACA fue fundado en 1915, y desde ese
entonces
viene
desarrollando
constantes
estudios
sobre
el
comportamiento de perfiles aerodinámicos principalmente para la aviación, actualmente posee una extensa lista de perfiles con su respectiva designación la cual se basa en porcentajes de dimensión de la cuerda. Esto simplifica la diferenciación entre perfiles, haciendo de este un sistema amigable en el cual vamos a centrar nuestro estudio. La primera familia de perfiles NACA es la de 4 dígitos, son los perfiles más antiguos y su diseño es tolerante a imperfecciones en su superficie. También están las familias de perfiles NACA llamadas Series 6 7 y 8 que maximizan flujos laminares y su diseño es más sensible a imperfecciones superficiales. Las series 7 y 8 son raramente usadas y presentan ciertas desventajas haciendo a los perfiles de estas familias poco favorables para nuestro objetivo. Finalmente decidimos hacer pruebas al perfil NACA 4415 La elección de este perfile se dio luego de comparar las curvas polares y de eficiencia aerodinámica de la base de datos que nos proporciona la AID (Airfoil Investigation Database).
24 Luego de la experimentación se elegirá el ángulo de ataque más idóneo para construir las palas del aerogenerador. La forma de describir un perfil de la serie 4 de NACA (NACA 4415) es de la siguiente manera
Primer dígito describe la curvatura máxima como porcentaje de la cuerda (% c).
Segundo digito describe la distancia de máxima curvatura desde el borde de ataque en 1/10 del porcentaje de la cuerda.
Dos últimos dígitos describiendo el máximo espesor como % de la cuerda.
Ejemplo NACA 4415 Máxima curvatura al 4% Máxima curvatura localizada al 40% (0.4 cuerdas) del borde de ataque Máximo espesor del 15% de la cuerda
2.3.1.1
PARTES DEL PERFIL NACA
El perfil se encuentra dividido en dos partes el extradós (parte superior) y el intradós (parte inferior) que va desde el inicio del borde de ataque hasta el final del borde de salida tal como se muestra en la f igura
Figura 13 Intradós y extradós Las principales partes el perfil alar se las describara acontinuacion:
25
Figura 14 Partes del perfil aerodinámico (Creus) Borde de Ataque Es la parte delantera del perfil. Presenta una pequeña zona de remanso donde la velocidad del aire es cero. Borde de Salida Es la parte posterior del perfil, por donde salen los filetes de aire en contacto con la superficie de la pala. Alabeo o línea de Curvatura media Es la línea que equidista el extradós del intradós del perfil aerodinámico. Cuerda Es la línea recta que une el borde de ataque con el borde de salida. Angulo de Ataque Es el ángulo que forma la cuerda aerodinámica con la dirección del viento relativo. Principio de Funcionamiento del Perfil NACA El viento al actuar sobre los perfiles aerodinámicos genera una fuerza que se puede se puede descomponer en dos: la fuerza de sustentación, perpendicular al viento, que es la responsable de hacer girar las palas, y la fuerza de resistencia paralela al viento La fuerza neta aerodinámica sobre las palas se produce como resultado de la depresión que se crea en el extradós (parte superior) y la sobrepresión que se produce en el intradós (parte inferior).
26
2.4 TEOREMA DE BERNOULLI (Creus) El teorema de Bernoulli relaciona la presión y la velocidad del aire densidad entre otros puntos situados a la misma altura en el seno de un flujo de corriente, en este caso uno será próximo al alabe y el otro en el extradós
Dónde:
(2.9)
Por consiguiente un aumento de la velocidad del aire se traduce en una
disminución de la presión, mientras que la disminución de la velocidad produce un aumento. En las palas del aerogenerador al girar, las partículas de aire que pasan por el extradós y las que pasan por el intradós, deben llegar al mismo tiempo al borde de salida.
27
Figura 15 Diagrama de fuerza en la pala (Creus) Por lo tanto la velocidad del aire es mayor en el extradós, por tener un mayor perímetro que recorrer, de modo que tendrá menor presión, mientras que en el intradós, al ser menor la velocidad del aire habrá una mayor presión. La diferencia de presiones entre extradós y el intradós, produce una fuerza resultante, que se descompone en dos Fuerza de Sustentación Fuerza de Resistencia
.
2.5 FUERZA DE SUSTENTACIÓN RESISTENCIA
y
Y FUERZA DE
Para mejor explicación usaremos el ejemplo de un avión. La fuerza de sustentación
es la que soporta el peso mientras la que se opone al
avance es la fuerza de resistencia
. En el caso de las palas
del
aerogenerador, la fuerza resultante se descompone en una fuerza neta en la dirección del eje del movimiento, que es la que hace girar las palas, y en otra que es perpendicular al plano de rotación de las palas, en la misma dirección del viento, es la que debe resistir la torre de soporte.
28
Figura 16 Diagrama de Fuerzas en el perfil Aerodinámico (Creus) Para obtener los coeficientes de sustentación
y arrastre
se
realiza la debida experimentación en el túnel de viento con un perfil alar, midiendo la sustentación ataque α.
y la resistencia
a diferentes ángulos de
La ecuación (2.10) representa el coeficiente de sustentación
Dónde:
La figura representa el valor del coeficiente de sustentación
.
(2.10)
en
función de una ángulo de ataque α. En la curva se aprecia que la
sustentación
aumenta proporciónamele al ángulo de ataque α, y que
29 entra en perdida cuando el ángulo de ataque es de unos 18 ° dependiendo del tipo de perfil que se esté analizando.
Figura 17 Coeficiente de sustentación (Creus) La ecuación (2.11) representa el coeficiente de resistencia
Dónde:
(2.11)
La figura representa el valor del coeficiente de sustentación
función de una ángulo de ataque
α.
en
Se observa que el coeficiente de
resistencia es mínimo para un ángulo de ataque ligeramente negativo y después crece exponencialmente.
30
Figura 18 Coeficiente de arrastre (Creus) El eficiencia aerodinámica es la máxima mientras más elevada sea la relación
. Esta relación recibe el nombre de finura aerodinámica. La
tangente desde el origen de coordenadas a la curva polar (retrato aerodinámico del perfil alar) proporciona la finura aerodinámica máxima
Figura 19 Curva polar (Creus)
2.6 AEROGENERADORES (Villarubia) Son generadores de energía eléctrica gracias a la acción del viento. Sus precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda, obtención de harina y bombeo de agua. El primer aerogenerador fue construido en Dinamarca a finales del siglo XIX, a cargo del profesor
31 Lacour en 1892. Con un generador de 25m de diámetro generaba un máximo de 25kw, gracias a las poca palas pero de giro muy rápido.
Figura 20 Molino de viento (Molinos de Viento) En 1927 es la primera vez que se empezó a usar perfiles aerodinámicos en las palas y aparecieron las palas de ángulo de ataque variable como medio regulador de potencia captada. Y en 1973 en plena crisis del petróleo se estimuló el estudio de fuentes alternativas como la energía eólica. Se crearon mapas que permitieron cuantificar el potencial eólico disponible y se empezó a construir maquinas cada vez más potentes, en los que varios generadores sirven conjuntamente energía eléctrica a la red. La energía eólica que produce el aire en movimiento es captada por las palas que a su vez giran transformando la energía eólica en energía mecánica. El rotor adquiere una velocidad angular el cual a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar el rotor de un generador, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica, estos pueden trabajar de manera aislada o agrupados distanciados unos de otros en parques eólicos. En la actualidad existen diferentes modelos de aerogeneradores, los cuales se distinguen por la potencia proporcionada, como por el número de palas, incluso por la manera de producir energía.
32
2.6.1 AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL Son turbinas simples y de bajo costo, muchas veces son utilizadas de forma artesanal. Sus principales aplicaciones son para bombeo de agua, sistemas simples de refrigeración, carga de baterías, entre otras aplicaciones.
Figura 21 Aerogeneradores de eje vertical (Menéndez) Las principales ventajas de una máquina de eje vertical son:
Puede no necesitar una torre para la máquina, y situar el generador, multiplicador, y demás componentes. en el suelo.
Para girar el rotor en contra del viento no es necesario un mecanismo de orientación. Las principales desventajas son:
Si se ubica el aerogenerador en el suelo las velocidades del viento a ese nivel serán muy bajas.
La máquina puede necesitar cables tensores que la sujeten, aunque esta solución no es practicable en áreas muy cultivadas.
Para sustituir el cojinete principal del rotor se necesita desmontar el rotor, esto implica que toda la máquina deberá ser desmontada.
33
2.6.2 DARRIEUS Es la única turbina de eje vertical que ha sido comercialmente fabricada. Su nombre le debe al ingeniero francés Georges Darrieus, que 1927
lo
desarrollo con aspas de perfil biconvexo aerodinámico, unidas en sus extremos de 20m de diámetro, luego fueron desarrolladas por el Laboratorio Sandia en los años 70. Se caracteriza porque tienen de dos a tres palas, las cuales pueden ser verticales, inclinadas o “dobladas” en forma de semicírculo o de parábola.
Comienzan a funcionar con velocidades de viento de 2 m/s. Estos rotores generalmente sólo se utilizan para aerogeneradores conectados a la red eléctrica, ya que no pueden arrancar por sí mismos. El generador Darrieus más grande del mundo es de 4 MW de potencia, con una altura de 42 metros. Se encuentra en Canadá.
Figura 22 Darreius (Wikipedia) 2.6.3 SAVONIUS Creado y patentada por el ingeniero finlandés Sigurd J. Savonius en el año 1924. Son un tipo de turbinas eólicas muy simples, económicas y fáciles de usar, compuesto por dos semicilindros huecos de igual diámetro con ejes separados paralelos al eje vertical de giro y colocados opuestamente con lo
34 que la fuerza que el viento ejerce en ambas caras del cilindro(cóncava y convexa) es distinta y así giran alrededor del eje. Pudiendo construirlas de forma artesanal, soportan de una mejor manera las turbulencias y son capaces de empezar a girar con vientos de baja velocidad. Logran generar potencias entre 0,1 y 5 kW, y con eficiencias entre 15 y 25%. Muchos diseños se combinan en un mismo eje, un Savonius en el centro con un Darrieus por fuera. Generalmente su uso está indicado cuando el costo resulta más importante que la eficiencia. Los Savonius de mayor tamaño han sido usados para generar electricidad en boyas de aguas profundas, ya que
requieren de mínima
potencia y muy poco mantenimiento. Otra de las aplicaciones y la más común del Savonius es el ventilador Flettner , visto en los techos de furgonetas y buses como dispositivo de enfriamiento.
Figura 23 Acción del viento sobre el Savonius (Wikipedia)
35
Figura 24 Aerogenerador Savonious (Wikipedia) 2.6.4 AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL Son los más habituales, también llamados HAWT, que corresponde a las siglas de la denominación inglesa Horizontal Axis Wind Turbine. Actualmente los aerogeneradores comerciales conectados a la red son construidos con un rotor tipo hélice de eje horizontal. La finalidad del rotor es la de convertir el movimiento lineal del viento en energía rotacional para que esta sea utilizada de manera que funcione el generador. Este es el principio básico que utilizan las modernas turbinas hidráulicas donde la corriente de agua es paralela al eje de rotación de los álabes de la turbina.
36
Figura 25 Aerogeneradores de eje horizontal (Diez Preguntas y Respuestas sobre Energía Eólica) Los aerogeneradores de eje horizontal por lo general se clasifican según su número de palas. Impar suele ser considerado como el más óptimo cuando se trata de obtener buenas propiedades dinámicas de una máquina. En cambio con un numero par de palas suelen ocurrir problemas de estabilidad en una máquina que tenga una estructura rígida; Razón por la cual actualmente se evita construir este tipo de aerogeneradores. A continuación se detallara la clasificación de los aerogeneradores según su número de palas.
2.6.4.1
UNA PALA O MONO PALA
La conformación de estos aerogeneradores precisa un contrapeso en el otro extremo para equilibrar, teniendo así una velocidad de giro muy elevada. Una desventaja de esta maquinaria es que introducen en el eje
37 unos esfuerzos muy variables, lo que a la final disminuye el tiempo de uso de la instalación.
Figura 26 Aerogenerador mono pala (Ventajas de la energía Eólica) 2.6.4.2
DOS PALAS O BI PALA
Los diseños bi pala necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida.
Figura 27 Aerogenerador bipala (Ventajas de la energía Eólica) Requieren de un diseño un poco complejo, con un rotor basculante, el cual tiene que ser capaz de inclinarse para evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre. Entonces el rotor debe estar ubicado en el extremo de un eje perpendicular al eje principal, el cual
38 va a girar con el eje principal. Lo que hace que esta configuración necesite de amortiguadores que eviten el choque de las palas contra la torre. Rinden un 10% más que con una pala.
2.6.4.3
TRES PALAS O TRI PALA
Es el modelo más comercializado actualmente, con el rotor a barlovento (en sentido contrario al viento), con motores eléctricos para sus mecanismos de orientación. Son de gran utilidad ya que con tres palas rinden un 4% más que con dos. Otra de las características es el uso de un generador asíncrono es decir la velocidad del rotor nunca va a llegar a igualar a la velocidad del estator. Generan potencias desde los 50W a algo más de 1 MW, el tamaño de las máquinas ha ido creciendo con el desarrollo tecnológico; a comienzos de la década del 80 eran usuales potencias entre 30 y 100 kW, actualmente la mayoría de las máquinas que se están instalando tienen potencias entre 400 kW y 1 MW.
Figura 28 Aerogenerador tripala (Cuba Solar) 2.6.4.4
Multi Pala
Los aerogeneradores multipala son de uso casi exclusivo para el bombeo de agua, gracias a su alto par de arranque y su relativo bajo costo que los hace muy aptos para esta tarea.
39 Se estima que en el mundo existen más de 1 000 000 de molinos de este tipo en operación.
Figura 29 Aerogenerador multipala (Menéndez)
2.7 LEY DE BETZ La ley de Betz fue formulada por primera vez por el físico alemán Albert Betz en 1919, y se define como el rendimiento máximo con el cual funciona el aerogenerador, e indica la potencia que captura el rotor respecto a la potencia total que posee el viento incidente. La energía cinética se puede convertir máximo un 59% en energía mecánica, también conocido como el coeficiente de potencia máximo
que a continuación demostraremos.
40
Figura 30 Volumen de control para límite de Betz (Danish Wind Indsutry Association) Se puede observar que el volumen de control está limitado por una superficie A1 situada en el infinito aguas abajo, por una superficie A2 situada en el infinito agua arriba y por la envolvente que cierra el tubo de corriente. Dicho tubo de corriente pasa por un plano intermedio donde se sitúa el rotor, representado por el área A. También se representa la velocidad a lo largo del volumen de control, que va variando, ya que el fluido va perdiendo energía durante su trayecto, y esto se manifiesta como una pérdida de su energía cinética. Se puede observar la variación de la presión desde una presión atmosférica en el infinito aguas abajo, aumentando hasta un valor
que
alcanza la cara anterior del rotor, debido a una compresión en dicha zona, por el obstáculo que el rotor representa para la corriente de aire. En la superficie A del esquema, se produce un cambio brusco de presión, como consecuencia de la energía que intercambia el fluido con el rotor. Pasamos e una presión
a una presión
. Finalmente el fluido aumenta su presión
hasta alcanzar de nuevo la presión del ambiente en el infinito aguas arriba. Las siguientes ecuaciones que describen el proceso: Potencia eólica disponible
̇
41
(2.12)
Ecuación de la Continuidad
(2.13)
Ecuación de la cantidad de movimiento
(2.14)
Fuerza de fluido en el disco
|| ̇ || ||
(2.15) (2.16)
Ecuaciones de Bernoulli
(2.17) (2.18) (2.19)
Combinando las ecuaciones (2.15) y (2.16) tenemos que:
(2.20)
Combinando las ecuaciones (2.14) y (2.17) tenemos que:
(2.21)
42 De aquí se deduce que la velocidad del viento en el plano del rotor es la semisuma de la velocidad incidente en el infinito aguas arriba y aguas abajo. Como la potencia absorbida por el rotor es combinando la ecuación (2.17) y (2.18).
y obtenemos
(2.22)
La potencia absorbida viene determinada por la ecuación (2.19), y se observamos que dada una velocidad de viento determinada v1, que no podremos modificar, ya que depende de la meteorología; tendremos que escoger un diseño del aerogenerador de forma que el valor obtenido de v2, maximice el gasto másico a través del disco, pero que también minimice la perdida de energía cinética a lo largo de la estela. Es decir ¿Qué valor de v2 nos hace máxima la potencia absorbida por el rotor? Si definimos:
tenemos que la potencia absorbida por el rotor es:
Calculando el máximo mediante
, obtenemos que
(2.23)
Figura 31 Límite de Betz (Danish Wind Indsutry Association) La expresión del máximo trabajo por el rotor se cumpla para quedando la expresión:
,
43
(2.24)
Por ultimo recordando la definición del coeficiente de potencia de un aerogenerador, obtenemos para el caso límite de máxima potencia absorbida en el rotor: el límite de Betz.
(2.25)
Queda demostrado que la máxima potencia, proveniente del viento, que puede captar el rotor de un aerogenerador ideal es del 59.25%.
44
CAPÍTULO 3
3.
EXPERIMENTACIÓN EXPERIMENTACIÓN EN EL TÚNEL DE VIENTO
3.1 PERFILES AERODINÁMICOS AERODINÁMICOS Existe una inmensa variedad de perfiles aerodinámicos que ya han sido estudiados. La rama de la ingeniería que estudia el comportamiento de los perfiles de los aviones es la aeronáutica y gran parte del trabajo de tabulación de características aerodinámicas de perfiles ha sido desarrollado por el National Advisory Committee for Aeronautics(NACA), la cual es antecesora de la National Aeronautics and Space Administration (NASA). Con el objetivo de describir las fuerzas que actúan sobre los perfiles cuando a través de estos fluye aire a diferentes velocidades y a diferentes ángulos de ataque se realiza la experimentación en el túnel de viento. Se busca obtener datos universales a partir de perfiles a escala por eso es conveniente expresar los términos de fuerzas en función de coeficientes adimensionales. La teoría de modelos nos permite, mediante la realización de un único ensayo a determinado perfil, describir el comportamiento del mismo a menor o mayor tamaño. Se va a realizar la experimentación con un perfil alar en el túnel subsónico de viento del Laboratorio de Mecánica de fluidos de la ESPE, con el objetivo de obtener datos acorde a las condiciones establecidas, al material y al
45 acabado superficial, que posteriormente se aplicará en el diseño y construcción de las palas de nuestro prototipo.
3.2 DISEÑO DEL PERFIL AERODINÁMICO AERODINÁMICO 3.2.1 SELECCIÓN DEL PERFIL Las secciones transversales de las palas de un aerogenerador son perfiles aerodinámicos muy similares a los utilizados por los aviones, no obstante, la forma básica es siempre la misma para ambos casos. Considerando que los aerogeneradores trabajan a moderados números de Reynolds a diferencia de los aviones que trabajan a altos Re. Es primordial obtener un diseño de perfil aerodinámico que nos brinde baja resistencia, un buen coeficiente de sustentación y que la región del perfil sobre la cual el flujo es laminar, sea máxima. El comité aeronáutico americano NACA fue fundado en 1915, y desde ese
entonces
viene
desarrollando
constantes
estudios
sobre
el
comportamiento de perfiles aerodinámicos principalmente para la aviación, actualmente posee una extensa lista de perfiles con su respectiva designación la cual se basa en porcentajes de dimensión de la cuerda. Esto simplifica la diferenciación entre perfiles, haciendo de este un sistema amigable en el cual vamos a centrar nuestro estudio. La primera familia de perfiles NACA es la de 4 dígitos, son los perfiles más antiguos y su diseño es tolerante a imperfecciones en su superficie. También están las familias de perfiles NACA llamadas Series 6 7 y 8 que maximizan flujos laminares y su diseño es más sensible a imperfecciones superficiales. Las series 7 y 8 son raramente usadas y presentan ciertas desventajas haciendo a los perfiles de estas familias poco favorables para nuestro objetivo. (Solé, 2008) Por lo mencionado anteriormente, nuestro estudio se va a enfocar en la familia 4 dígitos de NACA debido principalmente a la tolerancia a imperfecciones superficiales. De igual manera el libro de A. Creus Sole recomienda usar perfiles no simétricos para palas de aerogeneradores. aerogeneradores.
46 Finalmente decidimos hacer pruebas al perfil NACA 4415. La elección de este perfil se dio luego de comparar las curvas polares y de eficiencia aerodinámica de la base de datos que nos proporciona la AID(Airfoil Investigation Database) (Airfoild Data Base) Luego de la experimentación se validaran los resultados obtenidos y se los comparará con métodos analíticos. Ahora, el problema de investigar con éstos es que no se cuentan con los datos de L C y D C en los rangos deseados. Ocasionalmente, si se usan perfiles del aeromodelismo es posible encontrar datos para Reynolds entre 100.000 y 300.000 a ángulos de ataque entre -5º y 15º, los cuales no son suficientes. (De Alba)
Figura 32 Especificaciones perfil NACA 4415 (Airfoil Investigation Database)
47
Figura 33 CL vs ángulo de ataque NACA 4415 (Airfoil Investigation Database)
Figura 34 Curva polar NACA 4415 (Airfoil Investigation Database)
48
3.2.2 INFLUENCIA DEL ANCHO DEL PERFIL En general, dependiendo del espesor relativo del perfil podernos distinguir tres formas distintas de entrada en perdida: (Tutorial interactivo sobre energía eólica) •
Para perfiles de alto espesor relativo (>15%), la capa limite, al
aumentar el ángulo de ataque, empieza a desprenderse cerca del borde de salida del perfil. •
Para perfiles de espesor intermedio (8-15%) al aumentar el ángulo de
ataque se desprende laminarmente la capa limite, muy cerca del borde de ataque. •
Para perfiles de delgado espesor (<8%) el desprendimiento comienza
cerca del borde de ataque formándose una burbuja de r ecirculación debida a la re adherencia de la capa limite.
49
3.3 CONSTRUCCIÓN DEL PERFIL DE PRUEBA 3.3.1 DIMENSIONAMIENTO DEL PERFIL La dimensión del perfil se lo hará en base a la cuerda que en este caso será de 20 cm debido que se necesita un perfil de mediano tamaño para poder realizar las perforaciones e insertar los capilares que servirán para medir las presiones. Además tendrá una profundidad de extrusión de 28cm con lo que encaja de excelente manera en la cámara de pruebas del túnel de viento que mide 30X30 cm
Figura 35 Dimensiones generales del perfil 3.3.2 DISPOSICIÓN DE CAPILARES PARA MEDIDAS DE PRESIÓN (Universidad de Sevilla, 2012) Se instalara 21 capilares alrededor del perfil (11 sobre el extradós y 10 sobre
el intradós) que medirán la presión alrededor del mismo (el
multimanómetro tiene la capacidad de medir 23 presiones pero se necesita un toma para el tubo de pitot otra para la presión ambiente)
50
Figura 36 Distribución de capilares Escogemos 5mm de distancia desde el borde de ataque hacia el primer y segundo capilar del intradós y extradós (se encuentran concéntricos como muestra la Figura 3) para poder obtener datos más precisos en la punta del perfil ya que aquí los cambios de presión son más bruscos. Se escogió después del tercer capilar una distancia de 10 mm y 20mm respectivamente ya que en estos puntos no son tan críticos los cambios de presión. A partir de la tercera toma, los capilares del extradós estarán desfasados 10 mm con respecto a los del intradós, excepto el último capilar del extradós. El motivo por el que se desfasa los capilares es porque se tendrá mayor variedad de puntos para obtener la distribución de presiones alrededor del perfil aerodinámico.
3.3.3 GEOMETRÍA DEL PERFIL 3.3.3.1 1.
Metodología
Seleccionamos el perfil requerido en el AID (airfoil data base) en este
caso es el 4415.
51
Figura 37 Geometría del NACA 4415 (Airfoil Investigation Database) Obtenemos el archivo .dat y lo abrimos en Excel tal como muestra la figura
Figura 38 Puntos del 4415 2.
Se guarda como archivo en formato .txt para poder abrirlo es
SolidWorks y escalarlo a conveniencia.
3.
Una vez con el perfil escalado a la medida que se necesita, se debe
diseñar el perfil para poder prototiparlo e instrumentarlo adecuadamente, en este caso el perfil estará formado por 4 partes.
52
Figura 39 Vista explotada del perfil 3.3.4 IMPRESIÓN 3D La impresión 3D también es conocida como prototipado. El principio de funcionamiento de está máquina consiste en la impresión de un modelo en tres dimensiones mediante el calentamiento de un material plástico que se acumula en una bandeja de abajo hacia arriba, capa por capa, hasta conseguir la fijura deseada, el usuario decide la posición sobre la bandeja de la pieza que se va a imprimir y también la cantidad de material de soprorte a ser utilizado. El material de soporte es un tipo de plástico un poco más débil cuya función es brindar estabilidad a la pieza durante el proceso de impresión, posteriormente se lo retira. El diseño de la pieza se lo puede realizar en diferentes sofwares (CAD) y exportar el archivo directamente a la prototipadora. En nuestro caso utilizaremos Solidworks para diseñar los álabes, principalmente por la facilidad del sofware para la manipulación de piezas en tres dimensiones. El Laboratorio de Procesos de Manufactura de la ESPE, adquirió recientemente una prototipadora o impresora 3D, la cual se usara para crear los perfiles alares.
53
Figura 40 Impresora 3D de la ESPE
Tabla 5 Especificaciones técnicas de la prototipadora de la ESPE Características de la Prototipadora STRATASYS Dimension 1200es
Marca Modelo Material para Modelado Material de Soporte Dimensiones de construcción Espesor de capa Tamaño y Peso
ABS SST 1200 es, BST 1200es 254 x254 x 305 mm 0,33 mm o 0,254 mm 838 x 737 1143 mm y 148kg
3.3.5 MATERIALES 3.3.5.1
MATERIAL DE APORTE
El material de aporte de la prototipadora puede ser de algunos tipos de plástico, principalmente ABS y PLA. El PLA es utilizado en menor medida ya que habitualmente es más costoso. El Acrilonitrilo Butadieno Estireno o ABS es un plástico muy resistente al impacto, se considera un termoplástico es decir, es un plástico que sometido
54 a la exposición de temperaturas altas, se vuelve deformable llegando incluso a derretirse, mientras que cuando se enfría lo suficiente, se endurece. Las propiedades del ABS se muestran en la Tabla 6: (Tecnología de los plásticos)
3.3.5.2
INSTRUMENTACIÓN
Para instrumentar el perfil alar y poder medir las presiones, se utilizara agujas de G18 x 1in, de igual manera se usara tubo nasogástrico calibre 5 x 40cm
Figura 41 Instrumentación del perfil (Wikipedia) Se usa este calibre de aguja porque es una diámetro fácil de maniobrar en el ensamblado del perfil aerodinámico y porque entre más delgada sea se podrá instalar más capilares sobre el perfil permitiendo obtener más datos.
55
Tabla 6 Propiedades del ABS Propiedades
Método
Unidad
ASTM
Grados de ABS Alto
Impacto
Bajo
Resistente
impacto
medio
Impacto
al calor
Mecánicas a 23°C
D2546
J/m
375-640
215-375
105-215
105-320
D638
Kg / mm2
3,3 - 4,2
4,2-4,9
4,2-5,3
4,2-5,3
Elongación
D638
%
15-70
10-50
5-30
5-20
Módulo de
D638
173-214
214-255
214-265
214-265
88-90
95-105
105-110
105-110
1,02-
1,04-
1,05-
1,04-1,06
1,04
1,05
1,07
9,5-11,0
7,0-8,8
7,0-8,2
6,5-9,3
93-99
96-102
96-104
102-112
Resistencia al impacto, prueba Izod Resistencia a la tensión
tensión Dureza
D785
Peso específico
D792
HRC(Rockwell)
Térmicas Coeficiente de
D696
X 105 cm / cm* °C
expansión térmica Distorsión por calor
D648
°C a 18,4 Kg /cm2
56
3.3.6 VENTAJAS DE LA IMPRESIÓN 3D (Acroprototipos) En cuanto a algunas ventajas de la tecnología de prototipado rápido por capas, (FDM) podemos mencionar: •
Buena exactitud y estabilidad dimensional.
•
Se puede aplicar a piezas pequeñas con muchos detalles o piezas
muy grandes que luego pueden ser unidas pegándolas. •
El material final es muy resistente,
se puede pulir y/o pintar
obteniéndose acabados superficiales excelentes. •
Con las piezas obtenidas se pueden realizar montajes, pruebas de
laboratorio o de campo. •
Soportan humedad y temperatura.
•
La pieza se construye por capas de plástico (ABS) fundido que aporta
la máquina por una boquilla que sigue una trayectoria en los eje x-y para la formación de la capa. •
Espesor de la capa: varía de 0,245 mm o 0,33 mm. A menor espesor
se obtiene piezas con mayor calidad, resistencia y durabilidad.
57
3.4 METODOLOGÍA DE LA EXPERIMENTACIÓN Para realizar la experimentación en el túnel de viento, necesitamos conocer acerca de algunos equipos, a continuación describiremos su funcionamiento.
3.4.1 MULTIMANÓMETRO DE PRESIÓN DIFERENCIAL La medición de la presión estática a lo largo de la superficie del perfil se lo realiza con un manómetro de presión diferencial (Fotografía 1) y se encuentra representada por columna de líquido, en nuestro caso agua. Previo el inicio de las pruebas, el multimanómetro recibió su respectivo mantenimiento, y se verificó su correcto funcionamiento. El multimanómetro de presión diferencial posee 12 tubos en U con una altura máxima de 60 cm lo que permite leer diferencias de alturas de hasta 30 cm, su funcionamiento es a base de agua
Fotografía 1 Manómetro multitubo
58
Marca: T.E.M Engineering Limited Número de serie: M 1805 Para que este equipo funcione correctamente este debe estar nivelado, para esto se utiliza el nivel y las patas que se encuentra en la parte inferior de la estructura. Para el cálculo de las presiones a base de una diferencia de alturas utilizamos el principio de la estática de fluidos, la deducción de la fórmula se muestra a continuación:
Figura 42 Tubo en U vertical
( )
(3.1)
Si es necesario tener lecturas con mayor apreciación en la toma de datos, el equipo es capaz de inclinarse un determinado ángulo según sea conveniente y trabajar como un manómetro en U inclinado:
59
Figura 43 Tubo en U inclinado
( )
(3.2)
Cabe mencionar que en las fórmulas (3.1) y (3.2) no se desprecia la densidad del aire, muchos textos lo hacen debido a que la diferencia entre la densidad del agua o del mercurio con el aire es muy grande. El cálculo de la densidad del aire para las condiciones del Laboratorio se muestra en la sección 2.2. La densidad del agua destilada varía directamente con la temperatura y la presión atmosférica. Los cambios de presión pequeños son despreciables para la mayoría de los líquidos por lo que podemos interpolar directamente al valor de 20 C de la tabla A3 del libro. (Çengel, 2009)
Densidad: 998.21 kg/m3 En el Ecuador estamos ubicados a una mayor distancia desde centro del planeta, por esta razón la gravedad es ligeramente menor. (Value of g)
Gravedad: 9.76839 m/s2
60
3.4.2 TÚNEL DE VIENTO SUBSÓNICO El túnel del viento del laboratorio es el siguiente:
Fotografía 2 Túnel de viento subsónico Marca: Plint & Partners Velocidad max. Ventilador: 2900 rpm Dimensiones máximas de prueba: 30cmx30cmx30cm Lamentablemente no tenemos acceso al manual físico de la máquina, este se extravió en el pasado, tampoco se encontró ningún tipo de información digital en internet acerca del manual o la compañía fabricante. Por esta razón se tomaron medidas para conocer el rango de velocidades del túnel y obtener su curva respectiva. El túnel tiene un regulador de velocidad mecánico (marcador 1 al 6) que hace variar el área de salida del túnel con lo cual el caudal del aire cambia y a su vez la velocidad.
61
3.4.3 TUBO DE PITOT (Mataix) Para calcular la velocidad utilizamos el teorema de Bernulli (revisar sección 2.4) bajo las siguientes restricciones: Flujo no viscoso. Flujo incompresible. Estado estable. Flujo a lo largo de una línea de corriente. Ecuación de Bernulli:
(3.3) (3.4)
La presión total es medida en el punto de estancamiento donde la velocidad del fluido se asume que es cero y por ende la presión en ese punto será máxima. Entonces la diferencia de presiones es:
(3.5)
La presión dinámica la podemos encontrar restando la presión total menos la presión estática, si utilizamos un manómetro en U y conectamos las tomas de los sensores una en cada extremo de este se obtiene la diferencia de presiones directamente, esta se relaciona con la diferencia de alturas. Utilizar las fórmulas (3.1) o (3.2) según sea conveniente. Una vez que se ha calculado la presión dinámica, se aplica Bernulli igualando las ecuaciones (3.5) y (3.2).
( )
62 Se despeja la velocidad
( )
(3.6)
Con la fórmula anterior podemos calcular la velocidad del fluido en función de la diferencia de alturas e inclinación de un manómetro en U.lleno de agua destilada.
3.4.4 Curva de velocidad del túnel Es necesario conocer el rango de velocidades que tiene el túnel de viento. Aplicando la teoría vista en las secciones (3.4.1) y (3.4.3) se calcularon las velocidades en función del regulador (marcador 1 al 6). A continuación se muestran los resultados obtenidos:
Tabla 7 Rango de velocidades del túnel Marcador
P dinámica [Pa]
V pitot[m/s]
1
0.00
0.00
2
29.33
6.98
3
78.22
11.40
4
195.56
18.02
5
400.89
25.80
6
518.22
29.34
63
3.4.5 BALANZA DE 3 APOYOS: Al igual que para el túnel de viento, no disponemos del manual de funcionamiento del equipo, pero se sabe que se pueden medir valores de momento de picado o de cabeceo, fuerza de sustentación y fuerza de arrastre. El principio de funcionamiento de la máquina, consiste en medir diferentes desplazamientos utilizando relojes comparadores de extrema sensibilidad. En base a los desplazamientos obtenidos, se puede calcular las fuerzas utilizando la teoría de viga empotrada, al aplicar una fuerza esta se deforma y actúa como un resorte. La constante de este resorte depende de las dimensiones de la viga y del tipo del material. El siguiente esquema muestra la disposición de los diferentes elementos:
Fotografía 3 Medidor de fuerzas de tres apoyos El ángulo de ataque se ajusta con la rueda graduada del centro del equipo y esta se bloquea usando una pequeña abrazadera. Los sistemas A y
64 B son para medir fuerza de sustentación, y el sistema C sirve para calcular la fuerza de arrastre.
3.4.5.1
VIBRADOR
Entre los componentes de la balanza de tres apoyos se encuentra un vibrador cuya función es estabilizar las tensiones y a su vez las medidas de los relojes comparadores. El vibrador consta de un pulsador, un motor eléctrico DC y una masa excéntrica. Una vez más no se conocen los datos técnicos del motor y el cable conector se ha extraviado en el transcurso de los años. Se realizaron pruebas utilizando una fuente DC, los resultados se muestran en la Tabla 8
65
Tabla 8 Desempeño del motor DC Tensión [V]
RPM
Intensidad [mA]
3
500
-
4
600
70
5
640
100
6
690
120
7
760
150
8
870
170
9
990
240
10
1100
200
11
1160
190
12
1320
190
13
1380
190
14
1520
230
15
1720
200
16
1800
220
La conexión se la hizo utilizando un regulador de voltaje DC y un acople europeo. El regulador tiene la opción de trabajar en 1.5V, 3V, 6V, 9V y 12V. En la práctica, se obtuvieron mejores resultados trabajando con 9V.
66
Figura 44 Transformador DC 3.4.5.2
EQUIPOS DE MEDICIÓN
Para asegurarnos de que los equipos de medición de la balanza se encuentran en buen estado, se los llevó al Laboratorio de Metrología donde con la ayuda de patrones se verifico el porcentaje de error de los mismos.
Figura 45 Comparador de reloj en banco
67
3.4.5.3
CÁLCULO DE DEFLEXIÓN DE VIGAS EN VOLADIZO
(Shigley) El principio de funcionamiento de una viga empotrada, es parecido al de un resorte, con una constante k. Esta constante se relaciona directamente con: •
El módulo de Young o de elasticidad lineal del material que en la
mayoría de los aceros es de E=200 GPa. •
La inercia de la sección.
Como se desconoce el valor de la constante de las vigas y es necesario encontrarla, primero partimos con la identificación del material. Para comprobar que el material de las vigas sea de acero realizamos una prueba comparando la densidad.
Figura 46 Peso de las vigas
La densidad de los aceros depende de los compuestos de aleación y se encuentra entre 7.75 g/cm3 y 8.05 g/cm3. (Wikipedia) Podemos observar claramente que las densidades obtenidas se encuentran dentro del rango de los aceros y por ende, podemos utilizar un valor para el módulo de elasticidad de 200 GPa.
68 Por el aspecto de las vigas, podemos estipular que este se trata de un acero inoxidable, ya que el acabado es bueno, no se presenta ninguna afectación debido a la humedad del ambiente. Dimensiones de las vigas:
Figura 47 Dimensiones de las vigas La balanza tiene dos tipos de vigas:
Sistema A y B:
Sistema C
a=50
a=50
b=50
b=50
l=100
l=100
Sección rectangular: 25.44x1.48 mm
Sección rectangular:25.30x0.94mm
Espesor: 1.48 mm
Espesor: 0.94 mm
E=200000 MPa
E=200000 Mpa
I1=6.8725 mm4
I2=1.7511 mm4
69 Con los datos anteriores, y como el valor de los desplazamientos es conocido se puede calcular la fuerza aplicando la siguiente fórmula:
Donde:
(3.7)
δ : desplazamiento medido a una distancia l desde el empotramiento
E: Módulo de elasticidad del acero. I: Inercia de la sección rectangular.(b*h3/12) a : distancia desde el empotramiento hasta la línea de acción de la fuerza. l: longitud total de la viga.
3.4.6 METODOLOGÍA DE PRUEBAS Y TOMA DE DATOS Previo el inicio de levantamiento de información, tomar en cuenta las siguientes recomendaciones:
La velocidad del viento, en teoría, no debería afectar el resultado de las pruebas ya que los coeficientes obtenidos, CP, CL y CD, son adimensionales. Pero si la velocidad es demasiado baja, las fuerzas van a ser difíciles de medir correctamente en la balanza de tres apoyos y si la velocidad es demasiado alta, el ala podría empezar a tambalearse demasiado y dar lecturas imprecisas.
Hemos determinado que una velocidad de viento óptima para las diferentes pruebas es de aproximadamente 10m/s (regulador del túnel de viento en # 3) y la inclinación del multimanómetro de 45 ᵒ.
El álabe está unido a la balanza mediante un eje de acero, asegurarse de coincidir y encerar el ángulo de ataque del perfil con la rueda marcada del centro.
Asegurarse de que las conexiones, y las mangueras no tengan fugas.
Nivelar el multimanómetro de presión diferencial.
70 El objetivo es encontrar los coeficientes de sustentación CL y de arrastre CD, para esto lo primordial es encontrar las fuerzas de sustentación y arrastre para diferentes ángulos de ataque del perfil.
3.4.6.1
CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE PRESIÓN CP
(Jimenez) El coeficiente de presión es un número adimensional describe la presión sobre el álabe independientemente de sus dimensiones. Cualquier punto inmerso en el flujo de un fluido tiene su propio y único coeficiente de presión, Cp.
Donde:
(3.8)
P es la presión estática del fluido en el punto en el que el coeficiente de presión es evaluado. P∞ es la presión del flujo libre ρ es la densidad del fluido en el flujo V∞ es la velocidad de flujo libre del fluido
El aire a bajas velocidades (Mach < 0.3).puede ser considerado como un fluido incompresible y se puede utilizar la ecuación de Bernulli.
(3.9)
donde V es la velocidad del fluido en un punto conocido ; y V∞ es la velocidad del fluido. Es necesario conocer la velocidad del fluido en cada punto a lo largo del álabe, en el túnel de viento solamente medimos presiones, y para calcular la velocidad, nuevamente aplicamos la ecuación de Bernulli.
71
(3.10)
Despejando la velocidad
(3.11)
Con la fórmula anterior podemos calcular la velocidad en los puntos sobre el perfil.
3.4.6.2
MEDICIÓN DE FUERZA DE SUSTENTACIÓN
(Andresson) Hay dos formas de medir la fuerza de sustentación. Ambos métodos, en teoría, deberían dar el mismo resultado y al compararlos se puede tener una idea de qué tan confiables son los resultados. Si los resultados son similares significa que los valores obtenidos se acercan bastante al correcto, caso contrario uno o ambos métodos puede no ser el apropiado y tendrá que ser desechado antes de continuar. Método 1 - Fuerza El primer método consiste en medir directamente la fuerza de sustentación mediante la balanza de tres apoyos. Se toman las medidas iniciales de los sistemas A y B de reloj-micrómetro explicado en la sección (3.4.5) ,se enciende el túnel de viento y se toman medidas finales. La diferencia entre inicial y final es el desplazamiento total. Con el delta obtenido, utilizamos la teoría de viga en voladizo explicada en la sección (3.4.5.3) y con ayuda de distintos cálculos matemáticos se obtiene la fuerza. La suma entre la fuerza del sistema A y B es la fuerza de sustentación total del álabe para el cierto ángulo de ataque.
72 La fuerza de sustentación obtenida anteriormente depende de la velocidad del viento, el tamaño físico del álabe y la densidad del aire. Por tanto, es preciso calcular un coeficiente adimensional, CL:
Donde:
(3.12)
FL=Fuerza de sustentación ρ= densidad del aire
v=velocidad del aire c=cuerda del perfil w=ancho del perfil
Método 2- Presiones El segundo método se basa en la distribución de presiones a lo largo del álabe. Los valores obtenidos del mutlimanómetro están en Pascales la cual es una medida de presión y al multiplicarla por un área se obtiene una fuerza. Si hacemos las siguientes suposiciones para calcular el área alrededor de cada sensor (orificio) : 1) La presión medida en el multimanómetro es el valor promedio del área de cada sensor. 2) La longitud utilizada para el cálculo del área no es el de la curvatura del perfil, en su lugar se utilizará su proyeción lineal, L2. Los sensores en el ala han sido posicionados de tal manera que los errores sean mínimos.
73
Figura 48 Presión medida vs presión de sustentación La longitud L1 es la distancia entre marcas que se observa en la figura sobre la cual se encuentra un sensor. La longitud, L2 para un sensor x en función del ángulo β y la longitud horizontal L1 es igual a:
(3.13)
La presión que se mide en el multimanómetro, como puede observarse en la figura, es normal a la superficie del ala. Por lo que la presión de sustentación se encuentra en función del ángulo β
(3.14)
Al multiplicar esta presión por un área se obtiene la fuerza de sustentación local en [N]:
(3.15)
Igualando las ecuaciones (3.13),(3.14) y (3.15)obtenemos:
(3.16)
La fuerza total de sustentación para un ala de longitud infinita es la integral de la distribución de la presiones sobre el perfil.
74 Como Fx es perpendicular a la cuerda, se debe tener en cuenta el ángulo de ataque α para calcular la fuerza de sustentación real.
∑ ∑
(3.17)
La siguiente figura muestra un ejemplo de la distribución de presiones sobre un perfil alar.
Figura 49 Distribución de presiones sobre un perfil El coeficiente de sustentación, CL, se calcula entonces utilizando la ecuación (3.12)
3.4.6.3
MEDICIÓN DE FUERZA DE ARRASTRE
(Andresson) Para obtener la fuerza de arrastre por métodos experimentales existen algunos métodos, podemos mencionar: •
medidas de fuerza con balanza.
•
Arrastre en función del Cp.
•
medidas de la estela aguas abajo.
75 Método 1 Fuerza Análogamente al método utilizado para medir la fuerza de sustentación se mide directamente la fuerza de arrastre usando la balanza de tres apoyos como se ha explicado en la sección (3.4.5) y (3.4.5.3.) Para calcular el coeficiente de arrastre adimensional CD, se utiliza la siguiente ecuación:
Método 2 Presiones
(3.18)
Este método se basa en el hecho de que la resistencia D de un cuerpo para un flujo bidimensional es igual a la pérdida de cantidad de movimiento en la estela del cuerpo.
Figura 50 Método de la estela Suponiendo que las presiones son las mismas aguas arriba y abajo (p1 = p2), entonces la ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento para un flujo estacionario en dirección x es:
∫
(3.19)
76 El tubo de Pitot mide la presión total y no la velocidad. Puesto que P [kg/ms2] = ρ[kg/m3] × V2 [m2/s2], la ecuación anterior puede ser reescrita como:
∫( )
(3.20)
La anchura, W, se añade para incluir el ancho del ala. El coeficiente de arrastre se calcula entonces utilizando la ecuación:
(3.21)
3.4.7 RESULTADOS En la práctica del túnel lo que se pudo apreciar desde un inicio, fue que la sensibilidad del manómetro multitubo no era óptima para bajas velocidades del aire, inclusive con la máxima inclinación del manómetro no se obtuvieron buenos resultados. De igual manera con la balanza tripartita, no se obtuvieron buenos resultados, al comparar los dos métodos, el de la balanza y el de presiones (Revisar sección 3.4.6.2 y 3.4.6.3 ), el error promedio entre ambos métodos era de hasta un 100%, ver Figura 51. En cuanto al método de la estela, sección 3.4.6.3, la caída en la presión total del fluido no fue apreciable utilizando el multimanómentro, es necesario tener un instrumento con mayor sensibilidad para que los datos sean confiables, ver Figura 52 Seguido de la toma datos y validación de los distintos métodos mencionados anteriormente; se decidió utilizar solamente el método de las presiones para medir la fuerza de sustentación y la fuerza de arrastre a velocidades altas con Reynolds de 450000 Sección 3.4.7.1 Los resultados a distintas velocidades y distintos ángulos de ataque se presentan en el ANEXO B
77 2,745 0,027
L1 [N] D1 [N] Coeficiente de sustentación CL1 Coeficiente de arrastre CD1
1,006 0,010
0,887 0,041
L2 [N] D2 [N] oeficiente de sustentación CL2 Coeficiente de arrastre CD2
0,325 0,015
% error %error
210% 34%
Nota: Las fuerzas y coeficie ntes "1" fueron calculados usando los datos de la balanza Las fuerzas y coeficientes "2" fueron calculados usando los datos de presiones
Figura 51 % de error promedio en ambos métodos prácticos Método de la estela
N O I S E R P E D S O T N U P
Y[mm]
h1 [cm] Ambiente
h2 [cm] Sensor
Δh [m]
Ptotal 2 [Pa]
Fy [N]
300 240 200 190 180 175 170 160 140 100 90
29,4 29,4 29,4 29,4 29,2 29,2 29,4 29,4 29,4 29,4 29,4
29,4 29,4 29,4 29,4 29,5 29,5 29,4 29,4 29,4 29,4 29,4
0 0 0 0 -0,003 -0,003 0 0 0 0 0
0,000 0,000 0,000 0,000 -14,613 -14,613 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
0,000 0,000 0,000 0,000 0,020 0,020 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
Figura 52 Resultados método práctico de la estela
3.4.7.1
REYNOLDS @450000
Para el cálculo de Reynolds utilizamos la fórmula:
Donde:
(3.22)
V velocidad del aire c cuerda ν viscosidad cinemática del aire @ 20 ᵒC
La viscosidad en un gas a diferencia de la densidad varía solamente en función de la temperatura, es independiente de la presión. Por lo que la viscosidad tomada para el cálculo es a 20 ᵒC. (El aire Wikipedia)
78 De igual manera es interesante conocer el número de Mach que relaciona la velocidad del fluido con la velocidad del sonido en el aire. El aire
se lo considera incompresible cuando Mach<0,3.
(3.23)
Los resultados del cálculo se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 9 Cálculo de Reynolds y Mach @ 34 m/s Viscosidad absoluta [kg/ms] Viscosidad cinemática [m2/s] Velocidad del aire [m/s] Cuerda [m] Velocidad del sonido @2500 [m/s] Reynolds Mach
1,80E-05 1,51E-05 34,18 0,2 343,23
451564 0,10
Se comenzó la experimentación en el túnel de viento con la toma de las presiones estáticas a lo largo del álabe, la Figura 53 muestra las presiones en el extradós (color azul) y Figura 54 muestra las presiones en el intradós.(color rojo).
79
Figura 53 Lectura de presiones en el extradós α=12
Figura 54 Lectura de presiones en el intradós α=12 Se puede comprobar lo que dice la teoría de perfiles aerodinámicos en la Figura 55 y Figura 56. Mayor velocidad y menor presión en el extradós. Menor velocidad y mayor presión en el intradós. Las velocidades en cada punto se calcularon con la teoría de Bernulli para un flujo no viscoso. En base a las curvas de distribución de presiones y de velocidad se calculó el coeficiente de presión para cada ángulo de inclinación α.Revisar sección 3.4.6.1.
80
Figura 55 Curva de distribución de presiones α=12
Figura 56 Curva de distribución de velocidades α=12 Los coeficientes de presión para cada ángulo son similares a los que muestra la Figura 57. Cuando Cp =0, la presión en ese punto es igual a la presión total y cuando Cp = 1, la presión es igual a la presión estática del túnel.
81
Figura 57 Coeficientes de presión Cp α=12 La curva Cp vs %cuerda es útil para el cálculo de las fuerzas y coeficientes de sustentación y arrastre. Revisar sección 3.4.6.2 y 3.4.6.3. Finalmente con los coeficientes de sustentación CL y coeficientes de arrastre CD se pueden elaborar las curvas en las cuales se enfoca este estudio, CL vs α y CD vs α.
3.4.7.2
Análisis de resultados
La primera curva a estudiar es la de ángulo de ataque vs coeficiente de sustentación. La curva de la Figura 58 fue construida con los datos experimentales del túnel de viento. Se muestran resultados para los ángulos entre -1 ᵒ y 16ᵒ a una velocidad de 34,18m/s, marcador 6 del regulador del túnel de viento (sección3.4.2)
82
Figura 58 CL práctico @ Re 450000 Para la línea de tendencia trazada se utilizó una regresión polinómica de 2do orden.R2 es cercano a 1 lo que muestra que no existe una gran dispersión de los datos. Para validar los resultados obtenidos, se utilizará el software gratuito XFoil. Que tiene la opción de exportar los puntos a un archivo de Excel. (Drela)
Figura 59 CL teórico XFOIL La comparación de las 2 curvas se muestra a continuación
83 1.6 1.4 1.2 1 CL 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Túnel XFOIL
-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617 α
Figura 60 Comparación de CL práctico vs teórico Ahora se va a analizar CD vs ángulo de ataque:
Figura 61 CD práctico @ Re450000 El coeficiente de arrastre vs el ángulo de ataque teórico obtenido de XFOIL se muestra en la Figura 62.
84
Figura 62 CD Teórico XFOIL
Figura 63 Comparación CD práctico vs teórico
85 Finalmente se analizará la relación CL/CD.
Figura 64 CL vs CD @ Re 450000
Figura 65 CL vs CD XFOIL
86
Figura 66 Comparación CL v CD Como se puede apreciar en las distintas comparaciones, existe bastante diferencia en los datos del coeficiente de arrastre. Se puede afirmar que el método de las presiones para el cálculo de este coeficiente no es el más óptimo, puede ser debido a la falta de sensibilidad en el manómetro. En todo caso el coeficiente de sustentación es muy parecido al teórico. En aerogeneradores, la mayoría de cálculos se los hace con el viento
aparente
que es la resultante entre en viento frontal
c
y el viento
v
tangencial u Es conveniente analizar el comportamiento del perfil a bajos números de Reynolds porque el prototipo, fue diseñado para trabajar en un ambiente hipotético donde la velocidad del viento sería de 10 m/s.
87
Figura 67 Velocidades sobre un perfil alar Para el cálculo de Reynolds del prototipo se utilizará el viento aparente al 70% del radio de la pala, en este punto se producen los efectos aerodinámicos más importantes. En la Figura 75 se muestran las rpm del rotor a diferentes velocidades del viento.
El menor Reynolds que se pudo obtener prácticamente en el túnel de viento fue de Re=10000, a continuación se muestran las curvas ajustadas a los datos de tomados en la práctica en formato eppler..
88
Figura 68 Formato eppler @ Re 100000 Los resultados son poco satisfactorios, se obtiene un ángulo óptimo de 0 grados, una vez más se lo atribuímos a la apreciación del manómetro ya que se hicieron diferentes preubas y se obtuvieron resultados parecidos. Por lo mencionado anteriormente se decidió calcular el ángulo óptimo con los datos teóricos del programa XFOIL. A continuación se presentan la curva polar y de sustentación teórica para un Re=46235 en formato Eppler (Figura 69). El formato Eppler es una representación de las curvas polares y de sustentación que permite encontrar gráficamente el ángulo cuya relación CL/CD es máxima. Para esto comenzamos trazando una línea tangente a la curva CL/CD; el valor de CL encontrado lo proyectamos en la curva CL vs α; finalmente hallamos el ángulo óptimo gráficamente.
Figura 69 Ángulo óptimo NACA4415 @Re 46000 El ángulo óptimo es de 8 ᵒ.
89
CAPÍTULO 4
4.
DISEÑO DE ELEMENTOS DEL AEROGENERADOR AEROGENERADOR
4.1 CRITERIOS DE DISEÑO DEL AEROGENERADOR AEROGENERADOR 4.1.1 POTENCIA DEL VIENTO Es la potencia que produce el viento con una velocidad aproximada a través del área A perpendicular a la velocidad del viento
(4.1)
4.1.2 RELACIÓN DE VELOCIDAD ESPECÍFICA TSR Relación de velocidad especifica o TSR (Tip Ratio Speed) este término
sustituye al número de revoluciones por minuto de rotor, y su uso se da para comparar el funcionamiento de aerogeneradores. El TSR indica que la periferia de la pala circula a una velocidad TSR veces mayor que la
velocidad del viento y es la relación entre la velocidad en la punta del ala
y la velocidad del viento .
90
(4.2) (4.3)
Donde
Si se conoce la velocidad del viento , el radio de la pala y el número
de revoluciones del rotor
a la que que gira el rotor rotor se puede calcular calcular el TSR, TSR,
pero en este caso como como no se sabe sabe a la velocidad velocidad de giro del rotor, se debe recurrir a los siguientes cuadros informativos para poder elegir el valor de TSR de diseño.
Tabla 10 TSR y solidez según el tipo ti po de aerogenerador Tipo
Características de Desempeño
Requerimientos de Manufactura
Solidez
TSR óptimo
Aerogeneradores Aerogeneradores de Eje Horizontal Veleta cretense o paletas planas
Par medio de Arranque y baja velocidad
Simple
50% 1,5 -2,0
1,5 - 2,0
Ala de placa convexa
Par alto de Arranque y baja velocidad
Moderada
50% a 80%
1 - 1,5
Aerogenerador de velocidad moderada
Par bajo de Arranque y velocidad moderada
Moderada con algo de precisión
5% a 10%
3 - 5
Aerogeneradores de Alta velocidad
Par casi nulo de arranque y altas velocidades
Precisa
< 5%
5 - 10
91
Tabla 11 TSR y CL /CD según el tipo de máquina Tipo de Maquina Bombeo de Agua
Generadores eólicos pequeños Generadores eólicos grandes
Placa Plana
⁄
1
placa curvada
20-40
1
Ala de Tela
10-25
3-4
perfil simple
10-50
4- 6
perfil alabeado
20-100
3-5
ala de tela
20-30
5 - 15
perfil alabeado
20-100
TSR de diseño 1
Tipo de Pala
10
4.1.3 COEFICIENTE DE POTENCIA ( ) DEL AEROGENERADOR AEROGENERADOR El coeficiente de potencia es el rendimiento máximo que se puede captar de la potencia del viento y que no superara el 59%, según el teorema de Betz. Cabe recalcar que el coeficiente de potencia se basa en un rotor ideal es decir no toma en cuenta, perdidas mecánicas o pérdidas eléctricas, por lo que se deberá considerar considerar estas pérdidas pérdidas en el diseño. diseño.
(4.4)
Las siguientes graficas muestran las eficiencias de los aerogeneradores en función del TSR.
92
Figura 70 TSR vs rendimiento aerodinámico (FAO)
Figura 71 TSR Vs Cp (FAO) Cabe recalcar que si el TSR es mayor a 3.5 las palas funcionan principalmente por empuje ascensional y si es menor que 3.5 funcionan por arrastre
93
4.1.4 EFICIENCIA MECÁNICA Y EFICIENCIA ELÉCTRICA La eficiencia del generador eléctrico
va desde un 50% hasta un 90%
dependiendo la marca del generador eléctrico. La eficiencia mecánica
depende del tipo de mecanismos que use
para trasmitir la potencia en el caso de tener multiplicador de velocidades con engranes tendrá una eficiencia del 90%, con cadenas 85%, con correas el 80%, y si posee transmisión directa 100%
(4.5)
4.1.5 CÁLCULO DE LA VELOCIDAD DE GIRO DEL ROTOR Al calcular el número de revoluciones de giro del rotor n se deberá tomar en cuenta el TSR de diseño.
(4.6)
Donde
4.1.6 MOMENTO DE TORSIÓN DEL EJE DE GIRO
Es el momento de torsión de las palas con respecto al eje de giro (par motor).
[]
(4.7)
El momento de torsión obtenido es el total del rotor por lo que si se desea obtener el momento torsor para cada pala habría que dividir para 3. El momento de torsión actúa en el plano de rotación, estando localizada la tensión máxima en la zona de anclaje de cada pala del rotor.
94
4.1.7 SELECCIÓN DEL GENERADOR ELÈCTRICO Para seleccionar un generador eléctrico hay que tener en cuenta si es que el mismo trabajará directamente con el eje de rotación del rotor o a través de un multiplicador (caja de engranes, poleas), por lo que se deberá saber a cuantas rpm funciona el generador. En el caso supuesto que el generador eléctrico requiera 900 rpm para generar una potencia de 50W, y el eje del rotor funcione a estas mismas 900 rpm, no será necesario colocar ningún tipo de multiplicador y el acoplamiento será directo. Si se trabajaría con un multiplicador de velocidades con una relación de 2/1 se podrá utilizar un rotor que trabaje a 450 rpm.
4.1.8 UNIONES EMPERNADAS 4.1.8.1
Donde
Uniones a tracción
4.1.8.2
Donde
(4.8)
Uniones a Cortante
(4.9)
95
4.1.9 SELECCIÓN DE RODAMIENTOS Para seleccionar rodamientos es necesario los cálculos de las dimensiones según la forma de trabajo, puede hacerse para cargas dinámicas y estáticas. La carga es dinámica si el rodamiento gira constantemente y la cargas se considera estática cunado el rodamiento esta en reposo o ejecuta movimientos lentos. Para determinar el tamaño del rodamiento por cargas dinámicas que sería este caso se usara la siguiente formula.
Donde
(4.10)
96
4.2 DISEÑO DEL AEROGENERADOR Para el diseño del aerogenerador asumiremos los siguientes datos.
Tabla 12 Datos de diseño del aerogenerador Datos Densidad ρ
⁄ ⁄
Velocidad del viento
5 - 15
Número de palas N
3
Diámetro de barrido D
Para la velocidad del viento de diseño se usará entre
0.8837
⁄
0.5
⁄
,
el intervalo
se usará para ver el comportamiento del viento en los
cálculos.
Al ser un equipo de laboratorio que trabaja dependientemente con el túnel viento y en un lugar cerrado. No sería obligatorio un estudio eólico de la zona, pero para conocimiento se tomara en cuenta el historial del viento en Facultad de Ciencias Agropecuarias ya que ahí existe una central meteorológica. Cabe recalcar que se trató de tomar datos actuales pero solo se pudo obtener datos desde 1998 hasta el 2010. Los Datos Obtenidos se encuentran en el ANEXO C Área de barrido que cubrirá el diámetro de diseño:
[]
(4.11)
Potencia del viento revisar sección LEY DE BETZ2.7
(4.12)
97
Tabla 13 Potencia del viento a diferentes velocidades de viento
Viento
⁄
P viento
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
10.83
18.71
29.70
44.34
63.13
86.60
115.27
149.65
190.27
237.64
292.28
350.00 300.00
) W250.00 ( o t n200.00 e i V a 150.00 i c n e t 100.00 o P
P viento
50.00 0.00 0
5
10
15
20
Viento (m/s)
Figura 72 Potencia del viento en función de la velocidad Para la relación específica TSR cumpliendo los requerimientos de la
Tabla 10 y la Tabla 11 entramos dentro del rango 4 – 6 por lo que escogeremos el valor de TSR= 5 Para el coeficiente de Potencia
se hace referencia a Figura 70 y a la
Figura 71 que usan el TSR como base para escoger el
más aproximado
En la Figura 71 entramos usando el TSR=5 hasta encontrar la curva del aerogenerador tripala y veremos que llega aun valor de
En la Figura 70 entramos usando el TSR=5 hasta encontrar la tercera curva y veremos que llega a un valor de
casi idéntico al del anterior curva
por lo que podemos concluir que el valor de para el cálculo.
es el más idóneo
Potencia generada con
Tabla 14
98
:
(4.13)
Potencia generada a diferentes velocidades de viento Viento (
⁄
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
4.55
7.86
12.48
18.62
26.52
36.37
48.41
62.85
79.91
99.81
122.76
)
P generada (W)
140.00
) 120.00 W ( a 100.00 d a r 80.00 e n e G 60.00 a i c n 40.00 e t o P 20.00
P generada
0.00 0
5
10
15
20
Viento (m/s)
Figura 73 Potencia generada en función de la velocidad La eficiencia eléctrica
en este caso según el generador adquirido es
0.9. Revisar sección 4.1.4
La eficiencia mecánica
(4.14)
, en este caso que se usa trasmisión directa
mediante un eje es 0.7, al poseer rodamientos y accesorios extras incrementan las pérdidas de potencia
(4.15)
99 Eficiencia total
(4.16)
La Potencia neta es la potencia total que producirá el aerogenerador tomando en cuenta todas las pérdidas.
Tabla 15
(4.17)
Potencia Neta a diferentes velocidades de viento Viento (
⁄
P neta (W)
)
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
2.91
5.03
7.98
11.92
16.97
23.28
30.98
40.23
51.14
63.88
78.57
90.00 80.00 70.00 ) W60.00 ( a t 50.00 e N a i c 40.00 n e t o 30.00 P
P neta
20.00 10.00 0.00 0
5
10
15
20
Viento (m/s
Figura 74 Potencia Neta en función de la velocidad del viento Velocidad de giro del aerogenerador. Revisar sección 4.1.2 y 4.1.5
(4.18)
100
Tabla 16 Velocidad de giro del aerogenerador a diferentes velocidades de viento.
⁄
Viento ( )
⁄ w
(
)
(
)
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
955
1146
1337 1528
1719
1910 2101
2292
2483 2674
3500 3000 2500
) 2000 m p r ( n1500
n
1000 500 0 0
5
10
15
20
Viento (m/s)
Figura 75 Rpm en función de la velocidad del viento
2865
101 Momento de Torsión. Revisar sección 4.1.6 Para el cálculo del momento de torsión en eje de rotación utilizamos la ecuación (4.7).
[]
Para el momento de torsión en cada pala se divide para 3 y tendremos el siguiente valor:
Uniones empernadas. Revisar sección 4.1.8
Para seleccionar el diámetro óptimo del perno usaremos las siguientes características
Perno grado
4.6
Resistencia a la Fluencia (MPa)
240
Resistencia a la Tensión (MPa)
400
Módulo de elasticidad (GPa)
200
Se usa un factor de seguridad
de 3 ya que los pernos deben impedir
que las palas se desprendan a altas velocidades.
El área del perno ecuación
102 Diámetro mínimo del perno
Diseño del eje de trasmisión de potencia del Aerogenerador Material del eje: Grilón
Cálculo de torques
Fuerzas
103 Diagrama de fuerzas cortantes y momentos MDSolid (Philpot)
Plano X-Z Esquema de fuerzas
Figura 76 Fuerzas sobre eje, plano XZ
Diagrama de fuerzas Cortantes
Figura 77 Diagrama de cortantes, plano XZ
Diagrama de Momentos
Figura 78 Diagrama de momentos, plano XZ
104
Plano Y-Z Esquema de Fuerzas
Figura 79 Fuerzas sobre eje, plano YZ
Diagrama de Fuerzas Cortantes
Figura 80 Diagrama de cortantes, plano YZ
Diagrama de Momentos
Figura 81 Diagrama de momentos, plano YZ
105 Sumatoria de momentos en los planos yz y xz (se usa el que produce el esfuerzo máximo)
√ √
Los momentos máximos demuestran que la sección crítica de f alla se encuentra en la sección C
Análisis estático
√ Análisis a fatiga
106 Teoría de falla por fatiga SODERBERG (Norton, 2000)
Selección de rodamientos
Para el cálculo se utilizarán las reacciones calculadas en el punto de aplicación del rodamiento.
√
Del catálogo de rodamientos FAG, con un diámetro mínimo de 15mm se seleccionó el rodamiento FAG 6002 página 154 del catálogo (FAG) Esquema del rodamiento seleccionado
d (mm)
D (mm)
B (mm)
15
32
9
min (mm)
H (mm)
Peso Kg
Carga dyn C (KN)
Carga esta Co (KN
0,3
26,9
0,031
5,6
2,85
107
4.3
CRITERIO DE DISEÑO DE LA PALA DEL
AEROGENERADOR 4.3.1 SOLIDEZ
Solidez es la relación entre la superficie ocupada por la palas
superficie frontal de barrido por las hélices .
y la
(4.19)
El cálculo de la solidez S se lo puede hacer de tres maneras: La primera si el valor λ<10 entonces
̅
La segunda forma es considerando el valor medio de la cuerda
(4.20)
̅ (4.21)
La tercera forma es usando el grafico en el cual se puede escoger la solidez en función del TSR
108
Figura 82 Relación entre el coeficiente de solidez y el TSR (FAO) 4.3.2 LONGITUD ÓPTIMA DE LA PALA La longitud óptima de la pala se la calcula con la siguiente relación
4.3.3 CUERDA
(4.22)
̅
La cuerda media es la distancia que debería tener la cuerda justo en la
̅
mitad del ala y es en base a ella que se realiza los cálculos para obtener la demás geometría del ala. Se puede obtener el valor de la cuerda media con la siguiente formula
̅
(4.23)
Como en este caso el ala no va a tener un valor de cuerda constante ya que se necesita una variación lineal entre la cuerda la punta de la pala la cuerda de la raíz
̅
, y estas se calculan de la siguiente manera.
y
(4.24)
̅
109 (4.25)
En la siguiente ecuación queda definida la cuerda para cualquier radio
(4.26)
4.3.4 ALABEO Alabeo
es el ángulo que forma la cuerda del perfil en la raíz
la cuerda del perfil en la punta de la pala
con
Para calcular el alabeo primero debemos saber que el ángulo
óptimo
del perfil elegido deberá estar a 0.7 del radio
, ya
que aquí se producen los efectos aerodinámicos más importantes.
Como también conocemos la velocidad del viento , se puede obtener la velocidad angular.
(4.27)
Figura 83 Ángulos y velocidades sobre el perfil en r=0.7R (Bastianon) Calculando la dirección de la velocidad resultante, se debe ubicar el perfil de modo que la velocidad forme con la cuerda el ángulo óptimo ángulo óptimo viene dado por la relación del perfil en el túnel de viento.
. El
que resulta del estudio
Si llamamos paso, al ángulo
110 que forma el plano de rotación de la
hélice con la cuerda del perfil tenemos que:
(4.28)
Figura 84 Àngulos y velocidades sobre el perfil en función de r
(Bastianon)
El ángulo es la inclinación en grados que cada perfil debe tener en función del radio , y se la representa en la siguiente ecuación.
(4.29)
4.3.5 FUERZA CENTRÍFUGA DE LA PALA La fuerza centrífuga es la fuerza que empuja las palas hacia afuera, tratando de arrancarlas del núcleo al que están sujetas. La ecuación viene dada por la siguiente formula.
(4.30)
Dónde:
111
Hay que tener en cuenta dos condiciones operativas para el cálculo de la fuerza centrifuga
Tener en cuenta la velocidad máxima que podrá soportar el rotor cuando está en fase de diseño.
Cuando la máquina ya esté construida y en funcionamiento, si se embala hay que preveer la máxima velocidad que puede alcanzar, en el caso de aerogeneradores pequeños pueden soportar un exceso del 50% en su velocidad de rotación.
4.3.6 RESISTENCIA AERODINÁMICA DE LA PALA También conocida como fuerza Axial, y sirve para determinar las resistencia aerodinámica de un aerogenerador en rotación, inmerso en una
corriente de aire de velocidad .
(4.31)
En el caso que el aerogenerador este parado, pero inmerso en una
corriente de aire la resistencia aerodinámica seria:
Donde
Si se desea encontrar la resistencia aerodinámica para cada pala en este
caso que es un aerogenerador tripala se deberá dividir para 3.
4.3.7 MOMENTO FLECTOR EN LA PALA El momento flector de la pala se calcula a partir de las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre las palas y que son paralelas al eje de giro.
112
Se puede obtener un momento flector para el modo operativo (aerogenerador en movimiento) y para el modo estacionario (aerogenerador parado).
4.4 DISEÑO DE LA PALA DEL AEROGENERADOR Solidez: Revisar sección 4.3.1. Si se tiene un valor de TSR menor a 10 se puede usar la fórmula (4.20) :
Una manera de comprobar la solidez es obtener su valor usando la Figura
82. El TSR obtenido es muy parecido al anterior S= 8.8% Longitud óptima de la pala. Revisar sección 4.3.2 fórmula (4.22):
Cuerda media: Revisar sección 4.3.3 fórmula (4.23)
Reemplazamos los datos en las fórmulas (4.24) y (4.25) Cuerda en la punta de la pala:
Cuerda en la raíz de la pala
113 Ahora se calcula la velocidad tangencial relativa en r= 0.7R ya que aquí se producen los efectos aerodinámicos más importantes. Revisar sección
4.1.5
Ángulo que forma la velocidad relativa con el plano de rotación del perfil. Revisar sección 4.3.4
Angulo óptimo calculado de la experimentación de
sección 3.4.7
Revisar
Paso es el ángulo corregido que tendrá el alabe en la zona máximo efecto aerodinámico, fórmula (4.28)
Ángulo en la raíz de la pala, ecuación (4.29)
Ángulo en la punta de la .pala.
El alabeo recomendado es de
a lo largo de toda la pala:
Fuerza centrífuga en la pala. Revisar sección 4.3.5
114 Para calcular la fuerza centrífuga de la pala se obtendrán datos del diseño de la Pala en Solid Works como el centro de gravedad
y el peso .
115 Fuerza de resistencia aerodinámica cuando el aerogenerador está en movimiento y sumergido en una corriente de aire.Revisar sección4.3.6
Para saber la fuerza de resistencia aerodinámica que genera cada pala dividimos para 3.
Fuerza de resistencia aerodinámica estática
Momento Flector de la Pala. Revisar sección 4.3.7
116
4.5 DISEÑO DE SOPORTE Y ACOPLAMIENTO AL TÚNEL DE VIENTO El siguiente gráfico muestra las dimensiones de la estructura en la que se montará el aerogenerador para las pruebas respectivas en el túnel de viento
Figura 85 Dimensiones de la estructura de soporte Para determinar la resistencia de la estructura usaremos el software ANSYS, pero primero calcularemos las fuerzas a las que está sometida la estructura. Presión del viento
Fuerza del viento
Peso de la plancha sobre la plancha
Deformación máxima es 0.44 mm
Figura 86 Deflexiones y fuerzas en la estructura Reacciones en los apoyos HE FOLLOWING X,Y,Z SOLUTIONS ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM NODE
FX
FY
FZ
MX
MY
MZ 1
-10.542
-69.697
2 22 42
-16.192 16.971 9.7619
-79.947 99.288 90.747
74.149
7344.4
-3817.9
315.46
TOTAL VALUES VALUE 0.66627E-08 315.46
40.390
74.149
7344.4
-3817.9
117
118 Determinación de los momentos a Flexión:
Figura 87 Distribución de momentos en la estructura
Determinación del esfuerzo máximo
119
Figura 88 Distribución de esfuerzos en la estructura El momento máximo se da en el cuadrante superior y es de 7569 N-mm, La Tensión máxima es en el mismo punto y es igual a 1.79 N/mm 2, si la fluencia del aluminio es de 159 N/mm 2, el factor de seguridad es 88. La deformación máxima es 0.44 mm por lo tanto la sección está dentro de parámetros admisibles.
4.6 INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN 4.6.1 ENCODER Son dispositivos electromagnéticos, encargados de convertir la posición angular de un eje en una señal digital eléctrica. Conectados de manera adecuada a dispositivos electrónicos a través de vínculos mecánicos, el encoder permite medir desplazamientos angulares, movimientos lineales, movimientos circulares, velocidades rotacionales y aceleraciones. Las técnicas más comunes para la detección de un movimiento angular son, capacitiva, inductiva, potenciométrica, fotoeléctrica. La velocidad angular es la rapidez con la que varía el ángulo en el tiempo y se mide en
[] (
) o en
.
120 Por lo tanto si el ángulo es de 360 grados (una vuelta) y se realiza por
[ ] [ ] [ ]
ejemplo en un segundo, la velocidad angular es:
Si se dan dos vueltas en 1 segundo la velocidad angular es Si se da media vuelta en 2 segundos es
La velocidad angular se calcula como la variación del ángulo sobre la variación del tiempo.
Figura 89 Encoder (Wikipedia) 4.6.2 Amplificadores Operacionales Es un dispositivo electrónico que por lo general se lo encuentra en un circuito integrado que tiene dos entrada y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor de ganancia (G).
El símbolo de un amplificador es el siguiente:
121
Figura 90 Amplificador (Wikipedia) 4.6.3 Conversor Análogo Digital Es un dispositivo electrónico capaz de convertir una señal analógica de voltaje en una señal digital con un valor binario. Se utiliza en equipos electrónicos. La señal analógica, que varía de forma continua en el tiempo, se conecta a la entrada del dispositivo y se somete a un muestreo a una velocidad fija, obteniéndose así una señal digital a la salida del mismo. Estos conversores poseen dos señales de entrada llamadas
y determinan el rango en el cual se convertirá una señal de entrada.
y
122 El dispositivo establece una relación entre su entrada (señal analógica) y su salida (digital) dependiendo de su resolución. Esta resolución se puede saber, siempre y cuando conozcamos el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de la salida en dígitos binarios. Conversión de una señal análoga a digital
Figura 91 Conversión de señal (Wikipedia) 4.6.4 Regulador de Voltaje En regulador de voltaje es un dispositivo electrónico diseñado para mantener un nivel de tensión constante. Los reguladores electrónicos de voltaje se encuentran en dispositivos como las fuentes de alimentación donde estabilizan las tensiones DC usadas por los otros dispositivos electrónicos. El regulador de voltaje en este caso se usara para el cambio en la tensión de salida para un cambio dado de corriente de carga.
123
Figura 92 Regulador de voltaje (Wikipedia) 4.6.5 Microcontrolador PIC-16F877 El microcontrolador PIC es un dispositivo electrónico programable que puede realizar algunas actividades que necesiten del procesamiento de datos digitales y comunicación digital de diferentes dispositivos. Los microcontroladores tienen memoria interna que almacena dos tipos de datos; las instrucciones, que corresponden al programa que se ejecuta, y los registros, es decir, los datos que el usuario maneja, así como registros especiales para el control de las diferentes funciones del microcontrolador.
Figura 93 Microcontrolador (Wikipedia)
124
Tabla 17 Especificaciones técnicas de microcontrolador Características Frecuencia Máxima
16F877
DX-20MHZ
Memoria de programa flash palabra de 14 bits
8kB
Posiciones RAM de datos
368
Posiciones EEPROM de datos
256
Puerto E/S
A,B,C,D,E
Numero de pines
40
Interrupciones
14
Timers
3
Módulos CCP
2
125
CAPÍTULO 5
5.
CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PRUEBAS DEL AEROGENERADOR
El Aerogenerador Tripala y su bastidor cuentan con 25 partes, para su construcción, es recomendable guiarse por los diagramas de proceso. Los diagramas de proceso están realizados bajo la norma ASME “Opertion and Flow Process Charts”, los cuales detallan la secuencia de
operaciones que ocurren durante el proceso de construcción. La lista de materiales para la construcción del Aerogenerador Tripala se detalla a continuación:
126
Tabla 18 Materiales e insumos del prototipo N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Materiales-Insumos Descripción Dimensión
Tubo rectangular de Aluminio Plancha tol negro Plancha Acero Inoxidable Eje de Grilon Eje de Grilon Cubo de Grilon Tuerca Pernos Pernos Remaches Rodamientos Patas niveladores Nivel de Planitud
(2"x 1.5" x 1/8") 6m c/tubo 420 mm x 420 mm x 6mm 421 mm x 420 mm x 2mm Φ 16 mm x 300 mm Φ 80mm x 50 mm 60 mm x 60 mm x 30 mm M14 x 1.5 M8 x 1.25 M4 x 0.70 1/8"x 2.5" 15mm x 32mm x 10 mm 100 mm Φ 20mm
Cantidad
1 1 1 1 1 2 1 4 6 25 2 4 1
Herramientas 16 17 18 19 20 21 22
Flexómetro Nivel de Planitud Escuadra Rayador Cierra Taladro Remachadora
1 1 1 1 1 1 1
127
5.1 PROCESOS DE CONSTRUCCIÓN Los diagramas de flujo de la construcción del prototipo se muestran en el
ANEXO A
5.2 CONSTRUCCIÓN DE COMPONENTES Para la construcción del Aerogenerador Tripala y su bastidor se remite a la sección PLANOS en la cual se detalla todos los planos de Taller para la construcción de cada uno de los componenetes. A continuación se muestra algunas fotos durante el proceso de contrucción de los componentes En la Fotografía 4 se puede observar la base de soporte para las palas del aerogenerador en la fase de fresado, de igual manera la Fotografía 5 muestra el eje en la fase de cilindrado.
Fotografía 4 Fresado del rotor
128
Fotografía 5 Torneado del eje Las Fotografía 6 muestra la base de los rodamientos en su fase de taladrado, y la
Fotografía 7 muestra el ensamble del bastidor y sus
componentes.
Fotografía 6 Taladrado de chumacera
129
Fotografía 7 Ensamble bastidor
130
5.3 MONTAJE Posterior a la fabricación y compra de todos los componentes y accesorios se procedió al montaje del aerogenerador y su estructura 1. Se ancló la plancha de acero sobre la estructura usando pernos
Figura 94 Montaje plancha
2. Se colocó los rodamientos sobre las bases construidas.
Figura 95 Chumacera
131 3. El eje se montó sobre sus rodamientos a una distancia de 100 mm entre apoyos.
Figura 96 Eje, distancia entre apoyos
4. Se une las palas al plato base mediante pernos avellanados M4 x0.7 x10 como muestra la figura
Figura 97 Montaje palas
132 5. Una vez empernadas las palas a la placa base se procede a montar el plato base sobre el eje con una tuerca M4 x1.5.
Figura 98 Montaje rotor
6. Se fijan las bases de los rodamientos contra la plancha de acero
Figura 99 Montaje mecanismo de transmisión
133 7. Seguidamente del montaje de todo el mecanismo de transmisión de potencia se procederá a montar el encoder y el juego de engranes para la multiplicación de la velocidad (2:1)
Figura 100 Acople al aerogenerador 8. Montaje del freno para regular el exceso de rpm del eje del aerogenerador
Figura 101 Freno del aerogenerador 9. Montaje de los accesorios secundarios como tapa de acrílico, panel para toma de datos y medidor de planitud, de esta manera quedara listo el equipo
134
Figura 102 Accesorios del equipo
Figura 103 Isometría del equipo
135
5.4 PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO Para poder utilizar el equipo correctamente se deberá definir algunos parámetros de funcionamiento tales como: 1. El equipo siempre deberá estar bien asentado en el piso y paralelo al mismo para esto se usará el nivel de planitud 2. Siempre que se desee utilizar el equipo deberá estar cubierto por la tapa de acrílico para evitar enredarse con los componentes, accesorios y demás. 3. Una vez que las aspas del aerogenerador estén en movimiento, se debe tener muy en cuenta que al ser un prototipo puede tener alguna falla por lo que se recomienda siempre tener una mano sobre el freno mecánico. 4. Como norma de seguridad se debe usar obligatoriamente gafas de protección 5. Se recomienda no exceder los 12
⁄
de velocidad ya que el
aerogenerador alcanza grandes velocidades y sus elementos pueden fallar.
5.5 PROCEDIMIENTO DE FUNCIONAMIENTO Para poder utilizar correctamente el aerogenerador se recomienda la intervención de dos personas, la una para la toma de datos y manipulación del aerogenerador mientras que la segunda se deberá encarga del manejo del túnel de viento. 1. Colocar frente al túnel de viento el aerogenerador. 2. Nivelar el bastidor del aerogenerador. 3. Conectar la fuente eléctrica del tablero de datos y encenderlo 4. Colocarse en posición de frente al tablero de datos y al freno mecánico. 5. Encender el aerogenerador
136 6. Medir la velocidad del viento con el anemómetro y regular la perilla del túnel si es el caso para tenerla velocidad deseada 7. Tomar los datos del tablero. 8. Si se desea tomar datos a otra velocidad se debe apagar el túnel de viento y repetir el proceso.
5.6 LEVANTAMIENTO DE DATOS Los datos necesarios para obtener la curva de potencia del equipo fueron tomados el día 10 de noviembre del 2014. Para esto se utilizó el display propio del aerogenerador (Figura 104), el cual nos entrega datos de:
Velocidad de giro (rpm)
Voltaje (V)
Corriente (A)
Potencia (W)
Figura 104 Display de parámetros del aerogenerador Se obtuvieron los siguientes resultados para distintas velocidades del viento:
Tabla 19 Experimentación a diferentes velocidades de viento Velocidad del Velocidad viento de giro [m/s ] [rpm] 5 45 6 105 7 750 8 1245 9 1440 10 1695
Voltaje [V]
0,550291 1,555171 10,19 19,4038 21,70068 22,39453
Corriente [A]
0,03668 0,10367 0,67949 1,29358 1,44671 1,49296
Potencia [W]
0,020186 0,161236 6,925646 25,10051 31,39464 33,43432
137
5.7 ANÁLISIS DE RESULTADOS A continuación se muestran las diferentes curvas obtenidas con los datos anteriores:
Figura 105 RPM vs Vviento experimental
Figura 106 Voltaje vs Vviento experimental
138
Figura 107 Corriente vs Vviento experimental
Figura 108 Potencia vs Vviento experimental
139
CAPÍTULO 6
6.
ANÁLISIS ECONÓMICO – FINANCIERO
La optimización de un aerogenerador se basa en conseguir la máxima generación de energía para un costo dado. El costo principal radica en la amortización de la inversión, es evidente que el objetivo es que el equipo instalado genere la mayor cantidad de energía posible. Entre los objetivos del proyecto, nunca se contempló que el kilovatio hora generado sea competitivo en el mercado, de todas maneras a continuación se muestra un análisis económico, costo-beneficio, para evaluar si la inversión contribuye al bienestar social, teniendo en cuenta el objetivo de eficiencia. También se evaluará el proyecto desde un punto de vista financiero el cual proporcionará información sobre los resultados obtenidos con la inversión, esta información va dirigida a los inversionistas; no se muestra su impacto en la economía nacional.
140
6.1 ANÁLISIS ECONÓMICO 6.1.1 Costos directos de fabricación Tabla 20 Materiales directos de fabricación Materia prima Descripción Cantidad Tubo rectangular de Aluminio (2"x 1.5" x 1/8") 6 Plancha tol negro 420 mm x 420 mm x 6mm 1 Plancha Acero Inoxidable 420 mm x 420 mm x 2mm 1 1 Eje de Grilon Φ 16 mm x 300 mm Eje de Grilon Φ 80mm x 50 mm 1 Tubo rectangular de Grilon 60 mm x 60 mm x 30 mm 2 Pintura de esmalte 0,5
Unidad m U. U. U. U. U. Gal.
Costo Unitario $ 3,50 $ 8,00 $ 5,00 $ 4,00 $ 4,00 $ 10,00 $ 17,50 TOTAL
Costo Total $ 21,00 $ 8,00 $ 5,00 $ 4,00 $ 4,00 $ 20,00 $ 8,75 $ 70,75
Tabla 21 Insumos Descripción Palas prototipadas Generador 24 vDC Cableado Componentes de tarjeta eléctronica Tuerca M14 x 1.5 Pernos M5 x 1.25 M4 x 0.70 Remaches 1/8"x 2.5" Rodamientos 15mm x 32mm x 10 mm Patas niveladores 100 mm Nivel de Planitud Φ 20mm
Insumos Cantidad 3 1 3 1 1 12 6 30 2 2 1
Unidad U. U. m U. U. U. U. U. U. U. U.
Costo Unitario Costo Total $ 80,00 $ 240,00 $ 70,00 $ 70,00 $ 0,40 $ 1,20 $ 75,00 $ 75,00 $ 0,70 $ 0,70 $ 0,20 $ 2,40 $ 0,15 $ 0,90 $ 0,05 $ 1,50 $ 4,50 $ 9,00 $ 2,30 $ 4,60 $ 12,00 $ 12,00 $ 417,30 TOTAL
Tabla 22 Mano de obra directa Mano de Obra Directa Descripción Cantidad Unidad Tecnólogo en procesos de manufactura 6 dia Tecnólogo electrónico 2 dia Pintor 1 dia
Los costos directos del equipo suman $ 828,05.
Costo Unitario $ 40,00 $ 40,00 $ 20,00 TOTAL
Costo Total $ 240,00 $ 80,00 $ 20,00 $ 340,00
141
6.1.2 Costos indirectos de fabricación Tabla 23 Materiales indirectos de fabricación Materiales indirectos Descripción
Perfil NACA 4415 prototipado Agujas de jeringuilla Tubo nasogástrico Pintura
Cantidad Unidad
1 22 22 0,25
U. U. U. gal
Costo Unitario $ 400,00 $ 0,15 $ 0,70 $ 17,50 TOTAL
Costo Total
$ $ $ $ $
400,00 3,30 15,40 4,38 423,08
Tabla 24 Herramientas Herramientas Descripción
Túnel de viento Torno Fresa de eje vertical Flexómetro Calibrador Sierra de mano Escuadra Rayador Machuelos diferentes medidas Compresor de aire Taladro Remachadora Pistola de pintura para perfil de
Cantidad Unidad
20 5 6 0,2 10 0,5 0,5 1 0,5 2 1 1 2
horas horas horas horas horas horas horas horas horas horas horas horas horas
Costo Unitario
$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $
5,00 10,00 10,00 0,10 0,20 0,30 0,15 0,10 0,40 2,00 0,60 0,50 1,00 TOTAL
Nota: Los costos incluye n ene rgía eléctrica
Costo Total
$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $
100,00 50,00 60,00 0,02 2,00 0,15 0,08 0,10 0,20 4,00 0,60 0,50 2,00 219,65
142
Tabla 25 Mano de obra indirecta Mano de obra indirecta Descripción
Ingeniero Mecánico Ingeniero Eléctrico Pintor para perfil de prueba
Cantidad Unidad
30 4 1
día día día
Costo Unitario $ 50,00 $ 50,00 $ 20,00 TOTAL
Costo Total
$ 1.500,00 $ 200,00 $ 20,00 $ 1.720,00
Los costos indirectos de fabricación suman $ 2362,72 6.1.3 Costo de generación de energía. Hipotéticamente y asumiendo que la inversión son solamente los costos directos de fabricación del equipo, se calculó el costo por kilovatio-hora que generaría el equipo en un sector con un viento promedio de 10 m/s por 20 horas diarias y una vida útil del equipo de 1 año. Costo directo de fabricación Vida útil del equipo Potencia nominal @ 10 m/s Producción diaria de energía Producci ón anual de energía Costo del kwh
$
828,05 1 años 34 W 0,68 kwh 244,8 kwh $ 3,38
La vida útil de los componentes del aerogenerador es considerablemente corta (7200 h), debido a que al ser un prototipo experimental para un laboratorio no está diseñado para trabajar 20h diarias.
143
6.2 ANÁLISIS FINANCIERO Si se desearía vender la energía eléctrica producida por el prototipo. El proyecto recuperaría la inversión en 42 años. Obviamente el proyecto no es rentable tomado desde este punto de vista. Inversión Producción anual Costo del kwh en Ecuador Ingreso anual aproximado Recuperación de la inversión
$
828,05 244,8 kwh $ 0,08 $ 19,58 42,28196 años
Pero; si el costo de producción y estudio del presente proyecto lo cargamos a un proyecto de generación eólica de mayor escala, seguramente la afectación en comparación con el resto de costos es mínima. La teoría de semejanzas es aplicable para tener una idea del posible comportamiento de un aerogenerador a mayor escala a alturas superiores a 2000m donde la densidad del aire es menor.
144
CAPÍTULO 7
7.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 CONCLUSIONES 1. La construcción del prototipo para el Laboratorio de Energías Renovables, demuestra que la investigación realizada puede ser muy útil para futuros estudios relacionados con aerogeneradores de eje horizontal tripala o multipala, ya que el equipo ofrece la facilidad de cambiar las palas según sea necesario. 2. Los ensayos aerodinámicos realizados al perfil NACA 4415 fueron satisfactorios a números grandes de Reynolds, mientras que a bajos números de Reynolds no fueron del todo convincentes, ya que la sensibilidad de los manómetros en U no es del todo buena. 3. El prototipo está apto para utilizarlo como herramienta de estudio, para velocidades de viento entre 5 m/s a 10 m/s, al momento de exceder esta velocidad empiezan a sonar sus componentes, esto indica que los componentes están trabajando al límite y podría haber algún tipo de falla. 4. Las dimensiones del aerogenerador están dentro del rango del túnel de viento, teniendo un diámetro de barrido de 0.50 m, que es igual al diámetro de desfogue del túnel
145 5. Para el diseño de la pala se utilizó el ángulo óptimo de 7.94 ° al 70% del ala ya que aquí se producen los efectos aerodinámicos más importantes, mientras que en la raíz se utilizó un ángulo de 14.45 ° y en la punta un ángulo de 4.45 °, teniendo un ángulo de alabeo de 10 ° entre la punta y la raíz. 6. Este trabajo demuestra experimentalmente que se cumple la teoría de perfiles aerodinámicos. Claramente se observa la diferencia de presiones entre el intradós y el extradós. La validación de los resultados del túnel se la hizo con el software XFOIL. La mayoría de aerogeneradores tripala trabajan a bajos números de Reynolds, y debido a la confiabilidad de los datos experimentales a bajos Re, se decidió utilizar
los
valores
entregados
por
XFOIL.
Por lo expuesto anteriormente se llegó a la conclusión de utilizar un ángulo óptimo de 8 ᵒ para el diseño del prototipo. 7. Se experimentó en el túnel de viento con la balanza, teoria de la estela y distribución de presiones dando los mejores resultados y menor porcentaje de error, la distribución de presiones. 8. Los resultados expuestos fueron obtenidos netamente con la metodología de los coeficientes de presión, es decir, los coeficientes de presión y de arrastre se calcularon con la distribución de presiones sobre el álabe; se tomaron datos de presiones tanto en el extradós como en el intradós a diferentes velocidades y ángulos de ataque del perfil. 9. La construcción del equipo se centra en el prototipado de las palas, este proceso es de gran ayuda ya que permite crear una gran variedad de diseños de pala y experimentar con cada una de ellas. El prototipado es una gran ventaja para el campo de la investigación, siempre y cuando se lo perfeccione para obtener mejores acabados superficiales 10. La generación de energía del equipo es mínima y el costo de generación es aproximadamente de $3 el kwh, por lo que el verdadero valor del prototipo está enfocado al estudio principalmente comparativo-
146 experimental entre diferentes diseños de aerogeneradores de eje horizontal. 11. La densidad del aire en Sangolquí es mucho menor que a nivel del mar principalmente por la variación en la presión atmosférica, la densidad influye bastante principalmente en el cálculo de las velocidades con el tubo de pitot y en el cálculo de los coeficientes de arrastre y sustentación.
147
7.2 RECOMENDACIONES 1. Crear un plan de reacondicionamiento de los equipos de laboratorio o en su defecto modernizar los mismos ya que para poder realizar tesis como esta se debió invertir tiempo y dinero para ponerlos a punto y saber su funcionamiento. 2. Incentivar al estudiante a realizar tesis investigativas que contengan algún valor agregado para poder publicarlas en revistas científicas de renombre. Así la carrera y la universidad adquieren prestigio 3. Incentivar a los estudiantes a continuar con tesis ya realizadas ya sea para complementarlas o continuar con su estudio. 4. El túnel de viento es una buena herramienta para estudiar el comportamiento de diferentes perfiles aerodinámicos, en el caso de aerogeneradores, estos perfiles van a trabajar a bajos números de Reynolds, por lo que se recomienda trabajar con transductores de presión a bajas velocidades, para obtener datos confiables ya que el manómetro en U inclinado no tiene una buena apreciación a bajas velocidades del fluido. El uso de transductores de presión es una buena alternativa. A su vez la balanza tripartita del túnel de viento, puede medir las deflexiones con un sistema de strenght gages.
FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN 1. Realizar el estudio del perfil NACA4415 en el túnel de viento mediante la visualización de las líneas de corriente y la ruptura de capa límite. Posiblemente con una máquina de humo. 2. Utilizar el prototipo con otro tipo de diseño de palas o con otro generador de eje horizontal y comparar resultados. 3. Tomar datos con transductores de presión que reemplacen a los manómetros en U. 4. Diseñar un acople para montaje de prototipos de eje vertical.
148
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ANEXOS
ANEXO A Diagramas de construcción de los componentes del aerogenerador. Bastidor INICIO 120 min
Analizar
240 min
Diseñar
120 min
Realizar Planos
60 min
Medir y Trazar
20 min
Verificar Medidas
30 min
Cortar
30 min
Perforar
20 min
Remachar
5 min
Almacenar
Soporte rodamientos INICIO 60 min
Analizar
60 min
Diseñar
120 min
Realizar Planos
30 min
Fresar
5 min
Verificar Medidas
30 min
Cilindrar
5 min
Verificar Medidas
20 min
Perforar
5 min
Almacenar
Eje INICIO 120 min
Analizar
240 min
Diseñar
120 min
Realizar Planos
120 min
Cilindrado
10 min
Verificar Medidas
30 min
Roscar
20 min
Perforar
5 min
Almacenar
Soporte Palas INICIO 60 min
Analizar
60 min
Diseñar
120 min
Realizar Planos
30 min
Cilindrar
5 min
Verificar Medidas
30 min
Fresar
5 min
Verificar Medidas
20 min
Perforar
5 min
Almacenar
Palas INICIO 120 min
Analizar
240 min
Diseñar
120 min
Realizar Planos
120 min
10 min
Prototipado
Verificar Medidas
5 min
Almacenar
ANEXO B Resultados de la experimentación en el túnel de viento a diferentes velocidades y ángulos de ataque. Reynolds 100000 Viscosidad absoluta [kg/ms] Viscosidad cinemática [m2/s] Velocidad del aire [ m/s] Cuerda [m] Velocidad del sonido @2500 [m/s] Reynolds Mach
1,80E-05 1,51E-05 8,13 0,2 343,23
107434 0,02
Reynolds 130000 Viscosidad absoluta [kg/ms] Viscosidad cinemática [m2/s] Velocidad del aire [ m/s] Cuerda [m] Velocidad del sonido @2500 [m/s] Reynolds Mach
1,80E-05 1,51E-05 9,39 0,2 343,23
124054 0,03
Reynolds 200000 Viscosidad absoluta [kg/ms] Viscosidad cinemática [m2/s] Velocidad del aire [ m/s] Cuerda [m] Velocidad del sonido @2500 [m/s] Reynolds Mach
1,80E-05 1,51E-05 15,21 0,2 343,23
200991 0,04
Reynolds 280000 Viscosidad absoluta [kg/ms] Viscosidad cinemática [m2/s] Velocidad del aire [m/s] Cuerda [m] Velocidad del sonido @2500 [m/s] Reynolds Mach
1,80E-05 1,51E-05 21,52 0,2 343,23
284244 0,06
Reynolds 380000 Viscosidad absoluta [kg/ms] Viscosidad cinemática [m2/s] Velocidad del aire [m/s] Cuerda [m] Velocidad del sonido @2500 [m/s] Reynolds Mach
1,80E-05 1,51E-05 28,56 0,2 343,23
377296 0,08
Reynolds 450000 Viscosidad absoluta [kg/ms] Viscosidad cinemática [m2/s] Velocidad del aire [m/s] Cuerda [m] Velocidad del sonido @2500 [m/s] Reynolds Mach
1,80E-05 1,51E-05 34,18 0,2 343,23
451564 0,10
ANEXO C Datos históricos del viento en Sangolquí. ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO CARRERA DE INGENIERÍA EN CIENCIAS AGROPECUARIAS ESTACIÓN AGROMETEREOLÓGICA IASA CÓDIGO: MA-56 LONGITUD: 70° 24' 44'' W LATITUD: 0° 23' 20'' S ALTITUD 2,748 m,s,n,m, ENERO AÑOS 2,20 1998 2,00 1999 1,98 2000 2,30 2001 2,60 2002 2,80 2003 2,00 2004 2,70 2005 1,97 2006 2,00 2007 2,10 2008 2,60 2009 2,10 2010 TOTAL 29,35 2,26 PROMEDIO PROMEDIO MULTIANUAL
FEBRERO
MARZO
ABRIL
MAYO
JUNIO
JULIO
AGOSTO
1,96
2,03
2,87
2,67
2,10
3,10
3,50
3,10
2,00
2,54
2,31
2,,30
2,40
2,33
2,34
2,78
2,90
3,87
2,89
1,89
2,68
2,00
2,50
2,00
2,45
1,99
2,20
3,00
3,98
3,15
2,10
2,35
1,96
2,80
1,80
1,96
2,00
2,78
3,80
4,00
2,78
2,05
1,98
2,10
2,00
2,55
1,98
3,00
2,89
3,40
3,67
3,10
1,90
2,10
2,09
1,80
2,00
2,75
2,65
2,34
3,50
2,98
2,90
1,86
2,87
2,40
2,35
2,70
3,00
1,98
2,78
3,23
4,20
3,45
2,40
1,80
2,45
2,60
2,50
2,00
2,78
2,66
3,15
3,40
2,97
2,65
2,10
2,70
2,10
1,90
2,15
2,60
3,00
2,97
3,70
2,95
2,90
2,87
2,67
2,30
2,56
2,58
2,40
2,98
3,15
4,20
3,78
2,15
2,64
2,00
1,95
2,80
1,87
2,87
2,30
3,18
3,50
3,60
1,87
2,30
2,18
2,75
1,80
2,20
2,10
2,45
3,05
3,44
2,87
2,67
2,17
2,54
2,00
2,20
2,50
1,96
2,78
3,20
3,55
2,95
2,00
2,15
2,16
27,11 2,09
29,24 2,25
30,64 2,36
31,34 2,41
34,04 2,62
41,63 3,20
PLANOS
47,99 3,69
SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE
40,49 3,11
28,44 2,19
30,55 2,35
29,56 2,27 2,57
