FACULTAD DE TECNOLOGIA COCHABAMBA
PRACTICA ENERGIA EOLICA
MATERIA: ENERGIA EOLICA DOCENTE: Ing. Solis ESTUDIANTE: FAVIO PLAZA RIVERO FECHA: 26/04/13
COCHABAMBA - BOLIVIA
VELOCIDAD PERIFERICA DE LAS PALAS DEL ROTOR DE LOS AEROGENERADORES
CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO
Cuando en el paisaje rural aparece una máquina eólica, lo primero que se observa es un elemento en rotación con un cierto número de aspas o palas instaladas sobre una torre a cierta altura. Muchos se preguntarán por qué algunas de estas máquinas poseen muchas palas y otras menos. Los molinos de viento que se emplean tradicionalmente para el bombeo de agua generalmente poseen muchas palas (entre 16 y 24), y las turbinas eólicas usadas para generar electricidad usualmente tienen solamente tres, aunque cada vez menos frecuentemente se fabrican de dos palas. El parque eólico Los Canarreos, en la Isla de la Juventud, posee máquinas con rotores de dos palas. Los restantes parques eólicos cubanos son de tres palas. ¿Cuál es la razón de esta
disparidad?
Velocidad
de
rotación
de
una
turbina
eólica
La velocidad de rotación de una turbina eólica normalmente se expresa en revoluciones por minuto (rpm), o en radianes por segundo (rad.s–1). La velocidad de rotación en revoluciones por minuto por lo general se representa por N, y la velocidad angular en radianes por segundo usualmente se representa por Ω. La relación existente entre las rpm y los radianes por segundo
se
presenta
seguidamente:
1 rpm = (2π / 60) rad.s–1. Velocidad
en
la
punta
de
la
pala
de
una
turbina
eólica
Otra forma de medir la velocidad de una turbina eólica es la velocidad de punta, U, la cual es la velocidad tangencial del rotor en la punta de las palas, medida en metros por segundo. Es el producto de la velocidad angular Ω del rotor y el radio de la punta de la pala, R (en metros). De aquí se deriva otra forma de expresar la velocidad U:
U = (2πRN) / 60 Razón
de
velocidad
de
punta
Dividiendo la velocidad de punta, U, entre la velocidad no perturbada delante del rotor, V0, se obtiene una relación adimensional muy útil, conocida como razón de velocidad de punta, la que se representa normalmente por λ. Esta razón proporciona una medida útil con la cual se comparan las turbinas eólicas con diferentes características.Una turbina eólica con un diseño específico puede operar en un rango de velocidades de punta, pero operará con la mayor eficiencia a una determinada razón de velocidad de punta, es decir, cuando la velocidad de la punta de su álabe sea un valor múltiple determinado de la velocidad del viento. En la figura 1 puede verse este efecto.
Relación
entre
la
razón
de
velocidad
de
punta
y el coeficiente de potencia, para diferentes tipos de máquinas eólicas. Denominando a la eficiencia por el término «coeficiente de potencia», se advierte que cada tipo de rotor opera en un intervalo de razones de velocidades de punta determinado, pero alcanza un valor máximo de eficiencia a un cierto valor de λ. Por ejemplo, un rotor tripala opera en el rango de 6 a 12, pero alcanza su valor máximo cuando el valor de la razón de velocidad de punta se encuentra cercano a 10. Los molinos de viento multipala alcanzan este valor cuando
λ
es
aproximadamente
1.
La razón de velocidad de punta óptima para una velocidad de rotor dependerá tanto del ancho de las palas como de su número. VELOCIDAD PERIFERICA
Se refiere a la magnitud lineal de la velocidad de la pieza en su diámetro exterior que es donde ocurre el contacto con la muela. Esta es igual a: 1. Vp= wp*rpieza Donde: wp: Velocidad angular de la pieza rpieza: Radio de la pieza La
solidez
del
rotorde
una
turbina
eólica
El término «solidez» describe la fracción del área de barrido que es sólida. Las turbinas eólicas con grandes números de palas se les conoce como turbinas de alta solidez; las turbinas con pequeño número de palas se les denomina turbinas de baja solidez. Los molinos de viento multipalas son de rotores de alta solidez, y los modernos aerogeneradores (con una, dos o tres palas) tienen rotores de baja solidez. Con el fin de extraer la energía del viento lo más eficientemente posible, las palas deben interactuar lo máximo posible con el viento que pasa a través del área de barrido del rotor. Las palas de una turbina eólica multipala interactúan con todo el viento a muy baja razón de velocidad de punta; sin embargo, las palas de una turbina de baja solidez tienen que viajar más rápidamente para virtualmente llenar el área de barrido con el fin de interactuar con todo el viento que pasa a través de él. Si la razón de punta es de masiado baja, parte del viento que pasa a través del área de barrido del rotor viajaría sin interactuar con las palas; sin embargo, si la razón de velocidad de punta es demasiado alta, la turbina ofrece mucha resistencia al viento y parte de este pasará bordeándolo. Un rotor de dos palas (bipala) más ligero, con palas con el mismo ancho de uno de tres palas (tripala), tendrá una razón de velocidad de punta un tercio mayor que el rotor de tres palas. Un rotor de una pala con palas del mismo ancho que uno de dos palas, tendrá una razón de velocidad de punta dos veces mayor que el de dos palas. Las razones de velocidades óptimas para las turbinas eólicas modernas de baja solidez se
ubican en el intervalo de 6 a 20.De lo anterior se desprende que los rotores de turbinas eólicas con más palas tienen que ser más eficientes, pero la interferencia de una pala con otra no posibilita que esta teoría se cumpla. Los mayores números de palas hacen que una pala interfiera con la más cercana, lo que provoca pérdida de la eficiencia, por lo que las turbinas eólicas de alta solidez tienden a ser menos eficientes que las de baja solidez. De las de baja solidez, las de tres palas tienden a ser más eficientes; los rotores de dos palas son ligeramente menos eficientes, y los rotores de una pala ligeramente menos eficientes
aún.
En
la
figura
1
se
puede
observar
Potencia
este
efecto.
mecánica
La potencia mecánica que una turbina eólica extrae del viento es el producto de la velocidad angular por el torque impartido por el viento al rotor. El torque es el momento alrededor del centro de rotación debido a la fuerza impartida por el viento a los álabes del rotor. El torque es usualmente medido en newton-metro (Nm). Para un cierto valor de potencia, la menor velocidad angular se corresponde con un torque mayor; e inversamente, la mayor velocidad angular se
corresponde
con
el
menor
torque.
Las bombas que se emplean en las turbinas eólicas para el bombeo de agua requieren un alto torque de arranque para funcionar. Las turbinas multipalas son, por tanto, las que generalmente seemplean para bombear agua, ya que sus bajas relaciones de velocidad de punta traen como resultado altos torques. Las
cajas
de
transmisión
(reductoras
y
multiplicadoras)
Como los generadores eléctricos convencionales empleados en las turbinas eólicas giran a velocidades muchas veces mayor que la mayoría de los rotores de las turbinas eólicas, estos generalmente requieren de alguna forma de multiplicación de la velocidad. Algunas velocidades típicas de los generadores en sistemas donde la frecuencia de la electricidad es 60 Hz, son: 3 540, 1 750, 1 150 y 860 rpm. Las turbinas eólicas de baja solidez son mejores para la generación de electricidad que las de alta solidez, ya que operan a mayores razones de velocidad de punta y, por tanto, no requieren razones de
multiplicación tan altas para poner en fase la velocidad del rotor con la del generador. Esto lo hacen las cajas multiplicadoras.
Todo lo contrario ocurre en las máquinas eólicas empleadas para el bombeo mecánico de agua, es decir, para extraer agua con bombas de émbolo, donde la velocidad de estas bombas debe ser baja para que trabajen correcta y eficientemente. Entonces en estos casos se emplean cajas reductoras de velocidad normalmente de 1:3. OBJETIVOS Conocer la clasificación de las maquinas eólicas según la posición de su eje de giro respecto a la dirección del viento. Reconocer que las aeroturbinas de eje horizontal se encuentran mas desarrolladas, tanto desde el punto de vista técnico como del comercial. Conocer que los equipos eólicos instalados generen la mayor cantidad de energía posible. Conocer que el rendimiento aerodinámico es mejor cuando el perfil de las palas presentan un angulo de calaje o inclinación. MATERIALES Y EQUIPOS Aerogenerador. Metro o flexometro.
PROCEDIMIENTO Efectuar el análisis TSR del aerogenerador de laboratorio de energías. Efectuar la medición de la cuerda. Efectuar el análisis de accionamiento de la aeroturbina de generación eléctrica. De acuerdo a la medición de RPM, calcular la velocidad en [m/seg].
CUESTIONARIO 1. EXPLICAR PORQUE SE ELIGE UN TSR ELEVADO PARA LAS MAQUINAS EÓLICAS RAPIDAS. La relación de velocidad específica o periférica TSR,Tip-Speed-Ratio, es un término que sustituye al número de revoluciones por minuto n del rotor; sirvepara comparar el funcionamiento de máquinas eólicas diferentes, por lo que también se le suele denominarvelocidad específica.El TSR indica que la periferia de la pala circula a una velocidad TSR veces mayor que la velocidad delviento v y es la relación entre la velocidad periférica u de la pala (Rw) la del punto más exterior sobre lamisma a partir del eje de rotación, y la velocidad v del viento.Si se conoce la velocidad v del viento, el radio de la pala y el número n de rpm a las que funciona, sepuede calcular el TSR a cualquier distancia r comprendida entre el eje de rotación del rotor y la periferiade la pala, relación entre velocidades que se conoce como SR, y es de la 2. EXPLICAR LOS GENERADORES ELECTRICOS DE:
A. CORRIENTE CONTINUA (DINAMOS) Producción de corriente alterna en una espira que gira en el seno de un campo magnético
Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre las masas polares de un electroimán inductor (véase Figura 1.1), los conductores a y b del inducido cortan en su movimiento el campo magnético fijo y en ellos se induce una f.e.m. inducida cuyo valor y sentido varía en cada instante con la
posición.Cada uno de los terminales de la espira se conecta a un anillo metálico conductor, donde dos escobillas de grafito recogen la corriente inducida y la suministran al circuito exterior.Para determinar el sentido de la corriente inducida, en cada posición de los conductores, de la espira se aplica la regla de los tres dedos de la mano derecha, pudiéndose comprobar cómo se obtiene a la salida una tensión alterna senoidal. Rectificación de la corriente mediante el colector de delgas Dado que lo que deseamos es obtener corriente continua en la salida del generador, necesitamos incorporar un dispositivo que convierta la C.A. generada en C.C. Esto se consigue mediante el colector de delgas. Si, tal como se muestra en la Figura 1.2, conectamos los dos extremos de la espira, no ya en los dos anillos colectores, sino en dos semianillos conductores aislados uno del otro, sobre los que ponemos en contacto dos escobillas que recojan la corriente, conseguiremos obtener a la salida C.C. B. CORIIENTE ALTERNA (ALTERNADOR)
Los alternadores son las máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica bajo la forma de corriente alterna. Existen alternadores monofásicos, bifásicos o trifásicos. Empleándose en la práctica alternadores trifásicos. La constitución general del alternador trifásico aparece en la figura. Los alternadores trifásicos se construyen para una frecuencia fija (50 Hz), por ello la velocidad de rotación es también siempre fija. Existiendo en este último caso dos tipos: generadores sincrónicos o alternadoresy generadores asincrónicos o de inducción. Las dínamos tienen el inconveniente deutilizar escobillas, que exigen mantenimiento periódico, y son más pesadas y caras quelos generadores de corriente alterna (C.A.) de igual potencia; aunque tienen la ventajade no necesitar de sistemas especiales para cargar baterías, su uso se ha idoabandonando reemplazándolos por los generadores de C.A., con la excepción de algunosequipos para proveer muy bajas potencias, de construcción artesanal.El tipo de generador de C.A. que se utilice depende
fundamentalmente de lascaracterísticas del servicio a prestar. Como regla general puede decirse que losalternadores son mayoritariamente usados en máquinas que alimentan instalacionesautónomas y los generadores de inducción en turbinas eólicas interconectados con otrossistemas de generación. C. APLICACIONES
EN
AEROGENERADORES
HORIZONTALES
RAPIDOS Y LENTOS Aerogeneradores de eje horizontal o HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine). En estos modelos el ejede rotación es paralelo a la dirección del viento, de forma similar a la de los clásicos molinos de viento. Estetipo de aerogeneradores, a su vez, se pueden clasificar, según suvelocidad de giro, en: Aerogeneradores lentos: En general, están constituidos por un número alto de palas, multipalas,que cubren casi toda la superficie del rotor. Poseen un elevado par de arranque, gracias al cualpueden ponerse en marcha incluso con velocidades de viento muy bajas. Su baja velocidad derotación hace que sean poco útiles para la producción de electricidad, siendo su uso másfrecuente para el bombeo de agua. Aerogeneradores rápidos: Presentan un par de arranque pequeño y requieren velocidades deviento del orden de 4 a 5 m/s para su puesta en marcha. La mayoría poseen tres palas y seutilizan para la producción de electricidad, a través de su acoplamiento con un alternador. Sugama de potencias es muy amplia, va desde modelos de 1 kW, usados en instalacionesautónomas, a modelos de gran potencia. Los principales tipos de máquinas eólicas de eje horizontal, son:
Máquinas que generan un movimiento alternativo, que se utilizan para elbombeo de agua.
Máquinas multipalas.
Hélices con palas pivotantes (ángulo de ataque variable).
Hélices con palas alabeadas, muy sofisticadas, que incluyen clapetas batientes yalerones de ángulo variable.
3. EXPLICAR PORQUE EL ROTOR MULTIPALA SE UTILIZA PARA EL BOMBEO DE AGUA Una bombeadora de agua es un molino con un elevado momento de torsión y de baja velocidad, se usan con mayor frecuencia en las regiones rurales. Las bombeadoras de agua se emplean sobre todo para drenar agua del subsuelo. Estas máquinas se valen de una pieza rotatoria, cuyo diámetro suele oscilar entre 2 y 5 m, con varias aspas oblicuas que parten de un eje horizontal. La pieza rotatoria se instala sobre una torre lo bastante alta como para alcanzar el viento. Una larga veleta en forma de timón dirige la rueda hacia el viento. La rueda hace girar los engranajes que activan una bomba de pistón. Cuando los vientos soplan en exceso, unos mecanismos de seguridad detienen de forma automática la pieza rotatoria para evitar daños en el mecanismo. Para el bombeo de agua mediante la energía eólica, pueden emplearse dos formas básicas:
Bombeo mecánico
Bombeo eléctrico
Bombeo mecánico del agua Una de las formas para el bombeo del agua en forma mecánica, consiste en la utilización de una bomba a pistón, que provoca la aspiración en la tubería sumergida y la expulsión hacia un depósito de acumulación, tal como se muestra en forma esquemática en la figura. Es necesario para lograr este objetivo, conectar la bomba a un dispositivo o engranaje diseñado especialmente. En general es preferible que el bombeo se efectúe en forma lenta, a fin de reducir al mínimo la resistencia a la circulación del agua por las cañerías. Por ello en la aplicación mecánica de los sistemas eólicos para bombear el agua, no se requiere una velocidad de giro del rotor elevada, debiendo contar, sin embargo, con un alto par de arranque, para vencer la inercia del equipo.
Los molinos tipo multipalas convencionales, cumplen con estas condiciones contando con un alto par de arranque. CAPACIDAD DE MOLINOS DE VIENTO PARA ELEVACIÓN DE AGUA Diámetro (m)
Veloc. Viento (km /h)
Revoluc.
l/min. de agua elevados a una altura de m
por min. 7,5
15
22,5
30
45
60
2,6
26
45
23
11
...
...
...
...
3
26
40
72
36
25
18
...
...
3,6
26
35
128
68
45
32
22
4,3
26
30
171
85
60
43
30
19
4,9
26
25
245
120
74
61
37
31
5,5
26
23
370
197
123
92
66
46
6,1
26
21
473
241
154
118
73
60
7,6
26
17
804
405
271
188
141
101
Bombeo eléctrico del agua Para el bombeo del agua se emplea una bomba eléctrica, cuyo motor se conecta a los terminales del generador eólico o a los polos de la batería acumuladora en caso de utilizarse.
4. EXPLICAR LOS MECANISMOS DE ORIENTACION UTILIZADOS EN AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL El mecanismo de orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento. Se dice que la turbina eólica tiene un error de orientación si el rotor no está perpendicular al viento. Un error de orientación implica que una menor proporción de la energía del viento pasará a través del área del rotor (para aquéllos que saben matemáticas, está proporción disminuirá con el coseno del error
de
orientación).
Si esto fuera lo único que ocurre, el mecanismo de orientación sería una excelente forma de controlar la potencia de entrada al rotor del aerogenerador. Sin embargo, la parte del rotor más próxima a la dirección de la fuente de viento estará sometida a un mayor esfuerzo (par flector) que el resto del rotor. De una parte, esto implica que el rotor tendrá una tendencia natural a orientarse en contra del viento, independientemente de si se trata de una turbina corriente abajo o corriente arriba. Por otro lado, esto significa que las palas serán torsionadas hacia ambos lados en la dirección de "flap" (dirección perpendicular al plano del rotor) a cada vuelta del rotor. Por tanto, las turbinas eólicas que estén funcionando con un error de orientación estarán sujetas a mayores cargas de fatigaque las orientadas en una dirección perpendicular al viento. 5. DESARROLLAR BASICAMENTE EL DIMENSIONADO DE UN ROTOR EOLICO HORIZONTAL TAMAÑO DE LAS PALAS Y COEFICIENTE DE SOLIDEZ ( Ω ). Cuando una máquina eólica dispone de un número determinado de palas Z, la superficietotal de las mismas se calcula mediante la expresión: Área total de las palas = Z S = Solidez ( ) Área barrida ⋅Ω⋅ por el rotor (A) Por lo que la solidez (Ω) del rotor, como ya habíamos visto, se puede interpretar comola relación entre el área geométrica de la pala, S = R ⋅L , y el área barrida por ella en sugiro. FUERZA CENTRÍFUGA La fuerza centrífuga empuja las palas hacia afuera y tiende a arrancarlas del cubo delRotor; Como la velocidad del viento está elevada al cuadrado, un aumento brusco de la mismaoriginaría un gran aumento en la fuerza centrífuga. ÁREA FRONTAL BARRIDA POR LA PALA. El área A barrida por el rotor y que éste presenta frontalmente al viento, es unparámetro que se utiliza con cierta frecuencia en los cálculos de energía eólica.Esta área, para una hélice, es la superficie total barrida por las palas del rotor,perpendicular a la dirección del viento.
RESISTENCIA AERODINÁMICA DE LA PALA. Una fórmula aproximada para determinar la resistencia aerodinámica de unaerogenerador en rotación, inmerso en una corriente de aire de velocidad V. 6. SEA UNA HELICE TRIPALA DE 3.7 [m] DE DIAMETRO, ESTA GIRANDO EN UNA CORRIENTE DE AIRE DE VELOCIDAD DE 8.94 [m/s]. CALCULAR:
FUERZA AERODINAMICA
(
)
