Trabajo Final - Diseño de Un Aerogenerador Eólico

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

“AÑO DE LA PROMOCIÓN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMÁTICO”

INFORME DE TRABAJO FINAL DATOS GENERALES:

FACULTAD

: INGENIERÍA

ESCUELA

: INGENIERÍA MECÁNICA

SEMESTRE

: 2013 - ll

CICLO ACADÉMICO

: VI

CURSO

PROFESOR

: DINÁMICA DE GASES

: GIOVENE PÉREZ CAMPOMANES

TEMA

: DISEÑO DE UN AEROGENERADOR EÓLICO

FECHA

: 10 – 01 – 14

AÑO: -2014-

TEMA

Universidad Nacional Del Santa

Ingeniería Mecánica – Dinámica de Gases – VI ciclo

TEMA DE INVESTIGACIÓN

DISEÑO DE UN AEROGENERADOR AEROGENERADOR EÓLICO

INTEGRANTES 01 02

EN!UE CARRAN CARRANZA ZA Víctor Brayan LUC" CA#UAANO Geanmarco

ÍNDICE 1. Intr Introd oduc ucci ción ón 2. Objetivos

04 05 2



TEMA DE INVESTIGACIÓN

DISEÑO DE UN AEROGENERADOR AEROGENERADOR EÓLICO

INTEGRANTES 01 02

EN!UE CARRAN CARRANZA ZA Víctor Brayan LUC" CA#UAANO Geanmarco

ÍNDICE 1. Intr Introd oduc ucci ción ón 2. Objetivos

04 05 2



3. Marc Marco o teór teóric ico o 3.1 3.2

Aerodinámica Generación e!ctrica

4. "esarr "esarro oo o de tema tema 4.1 #urbinas #urbinas $óicas 4.1.1 #urbinas #urbinas de eje vertica 4.1.2 $studio de materiaes 4.2 "ise%o 4.2.1 Antecedente 4.2.2 "ise%o de rotor 4.3 'ácuos 4.3. 4.3.1 1 'ác 'ácu uos os Mecá Mecáni nico cos s 4.3.2 'ácuos $!ctricos

06 06 11

13 13 15 16 1& 15 16 1& 22 22

5. 'o 'oncusiones ( )ecomendaciones

24

6. )e*erencias

25

&. Ane+o

25

I. INTRODUCCIÓN energíaa eólica eólica pert energías renoa!l renoa!les es o tamb La energí perten enec ece e al conj conjun unto to de las las energías tambi in n denominadas energías alternativas! La energía e"lica es el tipo de energía renovable

3



más e#tendida a nivel internacional por potencia instalada $M%& ' por energía generada $G%(&! La energía e"lica procede de la energía "el sol $energía solar& )ue luego se convierte en viento* 'a )ue son los cambios de presiones ' de temperaturas en la atm"s+era los )ue (acen )ue el aire se ponga en movimiento* provocando el viento* )ue los aerogeneradores aprovec(an para producir energía elctrica a travs del movimiento de sus palas $energía cintica&! La energía e"lica se (a utili,ado (ist"ricamente para tareas mecánicas )ue re)uerían de muc(o es+uer,o +ísico* como era moler grano o elevar agua de po,os! -n estos casos la energía +inal )ue se usaba era la energía mecánica* sin embargo* con el paso de los a.os el objetivo )ue se buscaba era el de producir energía elctrica a partir del viento! La generaci"n de energía elctrica a partir de energía e"lica tuvo lugar en Dinamarca (acia /012* cuando se reali,aron los primeros e#perimentos con aerogeneradores* llegando a producir (asta 322 4%! Desde el a.o /115 (asta nuestros días (emos visto crecer e#ponencialmente la energía e"lica en todo el mundo* destacando los países como -spa.a* Dinamarca* 6olanda ' 7lemania! La má)uina )ue (ace posible )ue (o' en día se (able de energía eólica como una +uente de energía* es el aerogenerador! 8stos (an ido evolucionando para adaptarse a distintas necesidades a lo largo de los a.os! Los distintos aerogenera"ores )ue e#isten son9 7erogenerador de eje vertical9 es el concepto original de aerogenerador dentro de la energía e"lica* 'a )ue permite colocar el tren de potencia $multiplicadora* generador elctrico* etc!& en la base del aerogenerador* +acilitando así la instalaci"n de estos aerogeneradores! Las palas de este aerogenerador están girando en un plano paralelo al suelo! 7erogenerador de eje (ori,ontal9 es el concepto para producir energía e"lica )ue se (a implantado a lo largo de los a.os! :onsiste en colocar el tren de potencia en la parte 4



superior junto al eje de giro de la turbina e"lica! Las palas de este aerogenerador están girando en un plano perpendicular al suelo! ;ambin* los aerogeneradores se pueden clasi+icar por la potencia* e#istiendo la energía mega e"lica $con aerogeneradores de más de 5 M%&* mini e"lica $con aerogeneradores de menos de 322 4%& ' energía e"lica normal!

II. O#$ETI%OS



7plicar la base teoría aprendida en dinámica de gases $ *ujos e+ternos& para el presente trabajo!



:onocer los distintos componentes te"ricos ' tcnicos para el dise.o* además de los distintos tipos de aerogenerador )ue e#isten!



-laborar el dise.o de un generador e"lico de eje vertical )ue genere energía elctrica seleccionando los materiales ' componentes aplicando los principios te"ricos $mecánicos ( e!ctricos&!

III. MARCO TEÓRICO



La 7erodinámica estudia las acciones sobre un cuerpo )ue se encuentra sumergido en un +luido* )ue en este pro'ecto en concreto será el aire! :uando se considera un cuerpo de +orma arbitraria las acciones )ue el +luido ejerce sobre ste son una +uer,a ' un momento resultante ambos con componentes seg=n tres direcciones espaciales perpendiculares! -l análisis se simpli+ica si se considera la aerodinámica de a)uellos cuerpos )ue poseen una secci"n en un plano )ue contiene al vector de la velocidad de apro#imaci"n* $tambin denominada de la :orriente Libre& dic(a secci"n se repite inde+inidamente en la direcci"n perpendicular al mencionado plano (Fig.1! > bien* los cuerpos )ue poseen un eje de revoluci"n en un plano )ue contiene al vector de la velocidad de apro#imaci"n! -n ambos casos el +lujo se puede anali,ar como si +uera bidimensional ' bidireccional ' por tanto la +uer,a resultante tendrá dos componentes contenidas en el plano ' el momento respecto de un punto contenido en el plano una componente seg=n la direcci"n perpendicular a dic(o plano!

Fig!ra 1 Aerodinámica de !n c!er"o #idimen$iona% &Re'erencia$

.

.

.

(1

,uer-a

Siendo n ' t vectores unitarios perpendicular ' tangente respectivamente al contorno de la super+icie del cuerpo* d un segmento del contorno de la super+icie ' siendo A un área característica del cuerpo! -s posible considerar el área )ue resulta al observar el %



cuerpo desde arriba* esto es Ac ⋅b (Fig.1* esta área suele emplearse en cuerpos de pe)ue.o espesor /t como los per+iles de ala! >tra área es la +rontal* Am⋅b (Fig.1 )ue se obtiene pro'ectando el contorno del cuerpo en un plano perpendicular a la corriente de apro#imaci"n! -n cuerpos de gran espesor suele considerarse esta =ltima área! -n la Fig!ra 2 podemos observar las +uer,as aerodinámicas )ue act=an sobre un elemento del per+il N7:7 en una posici"n cual)uiera /ánuo de rotación * ' muestra el comportamiento de los tres vectores de las velocidades v u ' c )ue atacan a las palas durante una rotaci"n completa alrededor del eje vertical* siendo9 v  veocidad de viento a a atura de rotor eóico. u  veocidad reativa de aire resecto de eemento de aa /veocidad tanencia de eemento de aa erendicuar a radio de rotor. c  veocidad absouta de eemento de aa /resutante de os vectores v ( u. $ntre a veocidad c a veocidad de viento v7 e ánuo de rotación ( a veocidad esec8*ica de rotor e+iste a siuiente reación9

.

.

.

(2

:eocidad

&



Fig!ra 2 F!er)a a"%icada a !n a%a

Las +uer,as de sustentaci"n ' de arrastre por unidad de longitud* se e#presan en +unci"n de los coe+icientes de sustentaci"n /'s ' de arrastre /'a respectivamente! De esta manera podemos obtener las +uer,as aplicadas en un cuerpo plano perpendicular a la corriente de apro#imaci"n9 .

.

.

(*

.

.

.

(+

Sabiendo la +uer,a aplicada en la pala es tangencial al círculo +ormado por el barrido del aerogenerador se puede decir )ue el momento aplicado al centro del aerogenerador es9 .

.

.

(,

'



? de la siguiente manera se obtiene la potencia9

.

.

.

(,

v  veocidad de viento ;mc n  ?@mero de revouciones de a turbina "arrieus ;r..m.=   :eocidad anuar ;rad
Un parámetro importante en el dise.o de aerogeneradores es el ;S@ $ ti seed ratio reación de veocidad unta& representado por B! -l ;S@ )ue se conoce como la relaci"n

entre la velocidad punta o peri+rica del per+il N7:7 ' de la velocidad del viento real! 6acemos (incapi en la palabra per+il* por)ue ;S@ se aplica a dise.ar las turbinas del tipo empuje ascensional* como una turbina eje vertical o :AC# "arrius! ;S@ no es aplicable a un tipo de turbinas de arrastre como el Davonius! La relaci"n del ángulo de rotaci"n* ángulo de incidencia ' ;S@ es el siguiente9

.

.

.

(,

Aara los di+erentes tipos de rotores se puede observar los ;S@ típicos9

(



Fig!ra * TSR "ara di'eren/e$ /i"o$ de /!rina$

Aara calcular la velocidad angular de una turbina se utili,a la siguiente +"rmula9

.

-l alternador!

-s

.

.

(

Generaci-n e%c/rica

una má)uina

elctrica*

capa,

de

trans+ormar energía

mecánica en energía elctrica* generando una corriente alterna mediante inducci"n electromagntica! 10



Los alternadores están basados en el principio de )ue en un conductor sometido a un campo magntico variable crea una tensi"n elctrica inducida cu'a polaridad depende del sentido del campo ' el valor del +lujo )ue lo atraviesa! Un alternador es un generador de corriente alterna! Bunciona cambiando constantemente la polaridad para )ue (a'a movimiento ' genere energía!

Fig!ra + A%/ernador

-l +lujo magntico /E )ue atraviesa cada espira de las bobinas )ue constitu'en el inducido tiene el valor el producto de la intensidad de campo /F* por la super+icie de la espira /s ' por el coseno del ángulo +ormado por el plano )ue contiene a esta ' la direcci"n del campo magntico /cos * por lo )ue el +lujo en cada instante será9

.

.

.

(

:omo por otra parte tenemos )ue siempre )ue se produce una variaci"n del +lujo magntico )ue atraviesa a una espira se produce en ella una +uer,a electro motri, /,.$.M. inducida* representada por  * cu'o valor varía seg=n a la velocidad de variaci"n

del +lujo* por tanto tendremos )ue si n el n=mero de espiras del inducido9

.

.

.

(10

11



La +uer,a electromotri, inducida en una bobina )ue rota en un campo magntico uni+orme varía con el tiempo de una +orma sinusoidal ' su valor má#imo depende del n=mero de espiras* de la intensidad del campo* de la secci"n de la bobina ' de la velocidad de rotaci"n! La e#presi"n de la +uer,a electromotri, inducida viene dada por9

.

.

.

(11

I%. DESARROLLO DELTEMA

C!/

T!rina$ E-%ica$

12



Las turbinas e"licas son dispositivos )ue permiten convertir parte de la energía cintica contenida en las masas de aire en movimiento mecánico de rotaci"n! Aosteriormente* de acuerdo al objetivo buscado* esta energía puede usarse directamente en su +orma mecánica o bien convertirse e+icientemente en energía elctrica! La principal +orma de clasi+icaci"n de turbinas e"licas se basa en el tipo de +uer,as de impulsi"n de las mismas utili,an! De acuerdo a ello* se las puede agrupar en turbinas de arrastre aerodinámico o en turbinas de sustentaci"n aerodinámica! -l primer grupo utili,a el empuje originado por la de+le#i"n del +lujo de aire sobre las palas! Se caracteri,a por desarrollar velocidades tangenciales menores )ue la velocidad del viento ' por un relativamente alto valor de momento sobre el eje! -l segundo grupo produce la rotaci"n de la turbina a partir de las +uer,as aerodinámicas de sustentaci"n* basándose en el mismo principio aerodinámico bajo el cual se dise.an las alas de los aviones! Las palas de estas turbinas desarrollan velocidades lineales varias veces ma'ores )ue la velocidad del viento! Sin embargo* los niveles de tor)ue alcan,ados sobre el eje son bajos! -ste =ltimo tipo de turbina es la )ue generalmente se emplea para la conversi"n de energía e"lica en energía elctrica! La ra,"n de esta elecci"n se basa en las altas velocidades de rotaci"n necesarias para la generaci"n elctrica

13



Fig!ra 3 T!rina$ de e4e 5ori)on/a%

&.'.' T(r!inas "e e)e er*ical Fig!ra 6 T!rina$ de e4e 7er/ica%

14

Fig!" # Ti$%& '( !%)%!(& *%+ (,( -(!)i*".



I%!$/raci-n , Ti o$ de Ro/ore$ con e e 7er/ica%

La característica principal de los tipos de eje vertical es )ue no re)uieren de sistemas de orientaci"n! Ventaja nada despreciable pues evita complejos mecanismos de direccionamiento ' elimina los es+uer,os a )ue se ven sometidas las palas ante los cambios de orientaci"n del rotor! Aor su disposici"n permite colocar los sistemas de conversi"n prácticamente a nivel de suelo* evitando pesadas cargas en las torres* como ocurre en los de eje (ori,ontal! -#isten dos dise.os básicos de rotores de eje vertical9 Savonius ' Darrieus! -l rotor Savonius trabaja esencialmente por arrastre* tiene un alto par de arran)ue pero su e+iciencia es pobre! Aor su sencille, ' bajo coste es +ácil de construir con tcnicas artesanales! Se emplea en aplicaciones )ue re)uieren potencias pe)ue.as como es el caso de los e#tractores de aire en grandes edi+icios industriales o dep"sitos ' en bombeo de agua! Los rotores Darrieus* inventados por G!!M!Darrieus en Brancia en la dcada del 32* son actualmente los principales competidores de los de eje (ori,ontal de palas aerodinámicas para la generaci"n de electricidad! La +uer,a dominante es la de sustentaci"n* tienen un par de arran)ue prácticamente nulo* pero entregan potencias altas por unidad de coste del rotor!

1$



&.'.+ Es*("io "e Ma*eriales Dado )ue el sistema a dise.ar es un generador e"lico ' estará orientado a ser e+iciente se (a optado por dise.ar un generador con un sistema Darrieus para optimi,ar el rendimiento de la energía cintica del viento )ue se aprovec(ará para convertirla en energía cintica de rotaci"n en el generador ' producir electricidad! Aara ello se tendrá )ue dise.ar una turbina de eje vertical mu' ligera ' un alternador lo más ligero posible para no necesitar muc(o par de arran)ue! 7demás para aprovec(ar al má#imo la energía del viento tendremos )ue dise.ar unas palas con un bajo coe+iciente de +ricci"n! ;ambin tendremos en cuenta )ue nuestro generador tendrá )ue soportar las inclemencias del tiempo ' estará sometido a +uer,as de +le#i"n ' torsi"n .

1%



C!3

Di$e8o

&.+.' An*ece"en*es

Arimero se anali,ará la ,ona en la cual instalaremos el generador* en este caso el generador estará instalado en :(imbote! Se (a obtenido la in+ormaci"n relativa a los vientos en esa ,ona con el siguiente resultado!

1&



Fig!ra  Ma"a I%!$/raci-n Ma"ade de7ien/o 7ien/ode deC5imo/e C5imo/e

:omo se puede observar los vientos predominantes son las rac(as de < a C mEs por lo )ue el intervalo de dise.o de nuestro generador está en ese intervalo de velocidades!

&.+.+ Dise,o *eórico "e (n ro*or -ara -eril NACA //'0

Se procederá a la modeli,aci"n de un rotor obteniendo los coe+icientes de sustentaci"n* arrastre de un programa )ue simula un t=nel de viento $DesingB>IL @F&! Aara reali,ar los cálculos ' sacar las grá+icas se utili,ará una aplicaci"n -#cel con las +"rmulas de la +uer,a* potencia ' momento )ue nos dará los di+erentes valores para cada paso angular del rotor ' velocidad del viento* de manera )ue cru,ando el E9ce% con los coe+icientes obtenidos en el programa DesingB>IL @F se podrá elegir el mejor dise.o para el aerogenerador!

1'



Fig!ra  Sim!%aci-n De$ingFoi% R6

Las +uer,as aplicadas al ala son la +uer,a de arrastre Ba ' de sustentaci"n Bs* tal ' como se muestra en la ,iura 2 las dos +uer,as son dependientes del ángulo H +ormado por los vectores del viento )ue c(oca con la pala ' la corriente )ue se crea al girar la misma* por lo )ue la +uer,a resultante será9

.

.

.

(12

Sabiendo )ue entre la velocidad resultante c viene dada por los vectores u ' vJ

(Ec!aci-n 2 viene dada por9 * se obtiene9

1(



La relaci"n entre el ángulo de incidencia* el ángulo de rotaci"n ' la velocidad especí+ica viene dada por la siguiente +"rmula (Ec!aci-n :

-l Krea de la pala será $2*3 m de anc(o 3 m de alto& 2!C m 3 ' H es la densidad típica del aire /*3 4gEm<

As8 ue a ecuación *ina será deendiente de9 ' s  'oe*iciente de sustentación ' a  'oe*iciente de Arrastre B  #D) veocidad eseci*ica de rotor v  :eocidad de aire   ánuo de rotación

? el cálculo se (ará para cada ángulo rotacional ' velocidad del viento vJ!

:omo la +"rmula es mu' e#tensa se (ará el cálculo por tramos utili,ando E9ce% así se obtendrán9

H* )ue para los cálculos estará en radiantes* se dará en m"dulo 'a )ue la =nica di+erencia entre un ángulo positivo ' un ángulo negativo en un per+il N7:7 simtrico

20



trabajando de esta manera son las +uer,as )ue van perpendiculares al eje $descomposici"n de ,s ' ,a& ' no a+ectan al vector ,r.

Aor lo )ue la +uer,a resultante será9

7demás debemos tener en cuenta )ue un aerogenerador Darrieus con ;S@ 5 tiene un rendimiento del <2 por lo )ue el resultado +inal será9

Una ve, encontrada la +uer,a se obtendrá el par ' la potencia total para las tres palas con las siguientes +"rmulas9

D"nde9 )  )adio de a turbina ;m=   :eocidad anuar de rotor ;rad
C!<

Cá%c!%o$

&.1.' C2lc(los Mec2nicos :omo 'a se anunci" anteriormente los cálculos para el rotor $ *uer-a momento otencia& se (an (ec(o mediante E9ce% * tomando como re+erencia los valores de la

/a%a ** /os resutados se muestran en e ane9o 1 . 21



7demás se reali,a la +orma constructiva en un dibujo 3D del aerogenerador en dise.o ' del per+il seleccionado $N7:7 22/5& $ ane9o 2 &! ;e"ricamente la turbina puede trabajar (asta cual)uier vJ* se sabe )ue cuando una turbina e"lica coge demasiada velocidad los es+uer,os mecánicos ejercidos sobre el eje (acen )ue la turbina se deteriore con ma'or +acilidad!

&.1.+ C2lc(los El3c*ricos Utili,ando la +"rmula de la ,$M creada por un campo magntico )ue varía de +orma sinusoidal $Ec!aci-n 11& se obtiene9

7demás debido a la +orma constructiva del generador  se multiplica por < ' se tendrá en cuenta )ue el generador tiene perdidas en el (ierro ' por e+ecto joule* así )ue estará sujeto a un rendimiento )ue se estima )ue sea del 12 ! -l n=mero de bobinas es de F por lo )ue la +ormula +inal será9

.

.

.

(1*

La potencia elctrica se (a calculado respetando a la norma UN- 32CF2O5O53< en la )ue se indica la intensidad má#ima admitida por una secci"n especí+ica de cable! .

.

.

(1+

Aara estos cálculos tambin se (a recurrido a una (oja de -#cel para resolver el sistema elctrico! :on los datos previos tomados en las ecuaciones anteriores ' 22



tomando como re+erencia los valores de la /a%a +* /os resutados se muestran en e

ane9o * . ;ambin se presenta la +orma constructiva ' el ensamble 3D del disco de bobinado del generador elctrico $ ane9o +&!

%. CONCLUSIONES 4 RECOMENDACIONES



Se conclu'e )ue la teoría previamente estudiada en el curso $+lujos e#ternos& resulta aplicativa para el estudio ' desarrollo del presente pro'ecto!



Se conclu'e ' resalta la importancia de la parte elctrica del sistema* la importancia radica en los cálculos ' la selecci"n del alternador ' del bobinado )ue va dentro de

23



ste* 'a )ue es el encargado +inalmente de convertir la energía )ue inicialmente +ue cintica* mecánica ' +inalmente será elctrica! 

Se conclu'e )ue en los aerogeneradores de eje vertical como el )ue se (a pro'ectado +uncionan a velocidades del viento altas* 'a )ue necesitan tener un par grande para mover el generador elctrico* ' por eso el diámetro del rotor es ma'or ' la velocidad angular menor!



Binalmente (e de decir )ue este pro'ecto )ue nos (a servido para ad)uirir conocimientos sobre energía e"lica* dinámica de +luidos* electricidad* etc! )ue servirán de gran a'uda para +uturos pro'ectos!



Aara pro'ectos como el )ue se desarroll" es recomendable ' resulta mu' =til ' ben+ico (acer uso de so+tPares )ue puedan agili,ar los cálculos o simular alg=n +en"meno* en nuestro caso se utili,"9 (oja de cálculo E9ce% * simulador de +luidos $viento& De$ingF;I< R6 * simulador de dibujo 3D ' $!



Se recomendaría +abricar un prototipo para ver el rendimiento real ' cuán e+iciente resultaría el mecanismo aerodinámico 'a )ue en estos cálculos se utili,an modelos estándares )ue no necesariamente tienen )u coincidir /22 con los resultados te"ricos!

%I. RE5ERENCIAS -

JarK LacK N#e Cind Joer FooKP Fronsvie 'ai*ornia $nero 1QR1.

-

,ernánde- Jedro N$ner8a $óicaP "eartamento de Inenier8a e!ctrica ( ener!tica Sniversidad de 'antabria $sa%a.

-

Dainas Iván Gon-áe- ?eson NAntecedentes ara e dise%o de )otores $óicos en a T )eión ( $vauación de un JrototioP #esis Instituto Jro*esiona de :adivia 1QR4.

-

;,IGS)A 1= L. L. Fertin. Aerod(namics *or $nineers. Jrentice Ua 2002

24



-

tt9<
-

tt9<
-

tt9<<.*isicanet.com.ar<*isica
-

tt9<<.asticosWmecani-abes.com<asticosVresistenciaVtraccion.tm

-

tt9<
%II. ANE6O Ane9o 1

Grá*icas de cácuos ara e rotor9 *uer-a momento ( otencia.

Ane9o 2

,orma constructiva de aeroenerador ( de er*i seeccionado /?A'A 0015.

Ane9o *

Grá*icas de cácuos ara a eneración e!ctrica /,$M votaje otencia e!ctrica.

Ane9o +

Ane9o 1

,orma constructiva de disco de bobinado de enerador e!ctrico.

Grá*icas de cácuos ara e rotor9 *uer-a momento ( otencia.

2$



2%



2&



2'



2(


Ane9o 2


,orma constructiva de aeroenerador ( de er*i seeccionado /?A'A 0015.

Di!4o 1 Generador E-%ico ?ro@ec/ado

Di! o 2 Vi$/a de %an/a de% enerador

Di!4o * Vi$/a de "%an/a de% "er'i% NACA 0013

30


Ane9o *


Grá*icas de cácuos ara a eneración e!ctrica /,$M votaje otencia e!ctrica.

Grá'ica 10 Vrm$ a di$/in/a$

Grá'ica 11 ?o/encia e%c/rica a di$/in/a$ V

31

Trabajo Final - Diseño de Un Aerogenerador Eólico

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