diseño y construcción de una turbina eólica
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Diseño de un rotor para turbina eólica de bajo costo de 3 Kw
de potencia, proyecto ERC-1V. Cristhian Andrés Páez
1, Jonathan Garzón Ortiz
2.
1Universidad de San Buenaventura, Bogotá, Cundinamarca, Colombia.
2Fuerza Aérea Colombiana, Bogotá, Cundinamarca, Colombia.
Este proyecto pretende a largo plazo dar el primer paso para la creación de parques eólicos que amplíen la
cobertura eléctrica en el país, llegando a las poblaciones menos favorecidas. La importancia de este proyecto
radica en la necesidad de llevar energía eléctrica a poblaciones que no se encuentran cerca de las redes de
distribución eléctrica, ya que esto aumentaría su calidad de vida. En Colombia no existen antecedentes de diseño y
construcción de turbina eólicas de bajo costo. Las investigaciones a nivel nacional están enfocadas en generadores
que superan 1 MW como lo es el parque eólico Jepírachi de la Guajira, las cuales involucran únicamente el estudio
del potencial eólico del país y la implementación de tecnología existente según las características del terreno en el
cual se quiera implementar el generador eléctrico; sin embargo no abarcan el diseño, construcción, prueba y
comercialización, como es la finalidad de este proyecto. Dentro del marco investigativo y de diseño ingenieril se ha
terminado el diseño preliminar de todos los componentes mecánicos y aerodinámicos de la turbina ERC-1H el cual
se está tomando como base para optimizar el prototipo que será puesto en marcha a mediados del año 2011.
Palabras claves: Turbina eólica, generador, Ansys, Solid Edge, parque eólico.
1. INTRODUCCIÓN.
La necesidad de avanzar en el campo de las
energías renovables, que las grandes ciudades
alrededor del mundo tengan conciencia de su
entorno, cómo aprovechar este para un fin común
sin poner en riesgo el balance del planeta y de que
los países suramericanos desarrollen investigación
y desarrollo de proyectos enfocados al
aprovechamiento de fuentes de energía renovable
como la energía eólica y la energía solar, es la
meta en camino a la revolución energética al no
depender tanto de los combustibles fósiles y darle
paso a las nuevas tecnologías amigables con el
medio ambiente.
En este momento no existe en el mercado una
turbina eólica que se adapte a una variedad amplia
de velocidades del viento, debido a esto el
concepto de economía en estos elementos poco es
visto, ya que son diseñadas para funcionar en
determinado lugar, lo que significa que su
implementación es puntual, sin acoplarse a
cualquier tipo de régimen de viento.
Debido a estas razones es primordial buscar la
manera de diseñar una turbina eólica versátil
desde todo punto de vista.
Las alternativa de solución que se está
implementando en este proyecto, es el análisis
detallado del potencial eólico del país
acompañado de un extensa investigación sobre el
comportamiento del flujo de aire sobre el rotor o
alabes de la turbina eólica, esto genera una amplia
gama de configuraciones las cuales pueden ser
adaptadas a la caja multiplicadora, lo cual deja
como única variable de diseño de componente el
rotor como pieza intercambiable, lo cual significa
que en su gran mayoría el diseño base sigue
funcionando para cualquier régimen de velocidad
que es la variable critica en el diseño de turbinas
eólicas, lo cual da una perspectiva diferente con
respecto a los diseños que se basan en necesidades
puntúales y diseño únicos para cada necesidad que
presenta cada uno de sus clientes, del mismo
modo se automatiza el diseño de la turbina
haciendo mucho más fácil la adquisición de datos
del cliente o del área de instalación y la
generación de un rotor en el menor tiempo
posible, esto lo podemos lograr con una
recopilación de las variables típicas en el diseño
de rotores de turbinas eólicas de baja potencia en
conjunto con una alta gama de formulas y graficas
que nos ilustran la mejor opción para las
características físicas y ambientales del terreno en
el cual se quiere instalar la turbina eólica ERC-
1V; para lo cual se ha desarrollado un programa
llamado AERO-1V el cual ha sido implementado
en todo el desarrollo del proyecto ERC-1V, ya que
durante la investigación preliminar sobre diseño
de alabes se encontró programas especializados
para tal fin, pero no cumplió con las expectativas
ya que manejaban muy pocas variables y no
arrojaban datos importantes como torque, Rpm’s,
velocidad angular, variación de la cuerda entre
otros, por el contrario solo se enfocaban en
modelar un alabe 3D en formato parasolid1, según
datos iniciales que proveía el usuario y no había
forma de optimizar el diseño ya que el archivo es
inmodificable.
A. Revisión de literatura.
Dentro de los proyectos similares que se
encuentran dentro de la categoría ¨turbina eólica
de bajo costo¨ que han abordado el tema desde su
diseño, prueba, construcción y comercialización
tenemos:
Empresa privada.
Tipo Vertical
Compañía Mariah Power
Potencia 1.8 Kw
Alto 9 metros
Ancho 6 metros
Velocidad Nominal 10 m /s
Precio 4000 US, años 2010.
Institución de Educación Superior.
Tipo Vertical
Compañía Universidad Austral
de Chile.
Potencia 3.9 Kw
Alto 2.7 metros
Ancho 2.6 metros
Velocidad Nominal 11 m /s
Precio Está en etapa de
prototipo y pruebas
1 Modelo geométrico tipo CAD desarrollado por
ShapeData.
piloto. Año 2009*
Dentro del mercado se encuentran proyectos que
tienen como objetivo el diseño de una turbina
eólica de bajo costo, pero que dentro de sus
objetivos no se encuentra de manera global el
diseño integral de la turbina eólica por el contrario
se basan en el desarrollo de componentes
específicos relacionados, como lo son alabes o
rotor, cajas multiplicadoras y generadores
eléctricos síncronos o asíncronos, dichos
proyectos no son tomados como referencia
histórica ya que no abarcan la totalidad de
objetivos y/o el problema específicos que se trata
de solucionar en este proyecto.
Dentro de las variables fijas que se han tomado
para el desarrollo de este proyecto se ha podido
tener las siguientes características:
Tipo Horizontal
Compañía ERC proyecto
empresarial.
Potencia 3.6 Kw
Alto ≥ 5 m, con la
posibilidad de
instalación en el
techo o terraza de
hogares los cuales
tienen una altura
promedio de 2
metros.
Diámetro. 1,3 m
Velocidad Nominal 11 m /s
Precio 350* US, el precio es
tentativo ya que aun
no se ha terminado el
diseño de la parte
eléctrica.
B. Estructura del artículo.
El articulo consta de una sección donde se
describen las variables que se toman en cuenta
durante el diseño del rotor, al igual que una breve
descripción de el análisis ingenieril del proyecto el
cual consta de formulas de ámbito aerodinámico,
las cuales se basa el diseño preliminar de la
turbina ERC-1V y por ultimo una modelación del
alabe en 3D en el programa Solid Edge ST©.
1. Diseño
1.1 Variables y nomenclatura.
1.2 Calculo preliminar.
2. Desarrollo ingenieril.
2.2 Modelado 3D.
3. Conclusiones.
4. Recomendaciones.
5. Referencias Bibliográficas.
1. DISEÑO.
1.1 VARIABLES Y NOMENCLATURA
Para el diseño preliminar de los alabes se utilizan
las siguientes variables fijas las cuales son
escogidas por el grupo de diseñadores:
Numero de alabes. B 3
Velocidad del viento V 11 m/s
Densidad. ƍ 1,29 Kg/m3
Radio del rotor R 0,65 m
TSR TSR 5
Angulo de ataque ά 7°
1.2 CALCULO PRELIMINAR.
Paso siguiente se realiza los cálculos referentes a
cuerda con respecto a la variación del radio,
ángulo de pitch con respecto a la variación del
radio, ángulo del viento con respecto a la
variación del radio, con los cálculos antes
mencionado se puede modelar el alabe en un
programa tipo CAD, en este caso se utilizo Solid
Edge©.
Calculamos la cuerda:
Donde r significa la variación del radio desde la
raíz hasta la punta del alabe.
Fig. 1. Variación del radio desde la raíz hasta la punta del
alabe.2
Para el cálculo exacto de la variación de la cuerda
con respecto a la variación del radio del alabe se
utilizo la herramienta Microsoft office Excel y se
realizo un grafica (1) para ilustrar de una manera
más clara el resultado de la formula (1).
Grafica 1. Variación [R] con respecto a [c].
Para poder determinar la forma precisa del alabe y
poderlo modelar en 3D ,debemos hallar el ángulo
de salida del flujo de aire [ángulo del viento; ∅]
con respecto a la variación del radio.
Este ángulo es un factor de corrección para que el
flujo de aire mantenga una dirección paralela a la
salida del borde de ataque del alabe tal cual se
muestra en la figura 2; y así reducir los vórtices y
por consiguiente el ruido producido por el
movimiento rotacional del rotor.
2 Tony B, David S, Nick J, Ervin B. Wind energy hand
book. Baffins lane:---: ---. 2001. p. 60.
Fig. 2. Ilustración vorticidad producida por un movimiento
rotacional3.
Para calcular el ángulo ∅ utilizamos la ecuación
2.
∅
(2)
Para dar más detalle del cambio del ángulo ∅ con
respecto a la variación del radio se presenta la
grafica 2.
Grafica 2. Variación [R] con respecto a [∅].
Por último se determina el ángulo de pitch [β], el
cual es el factor de corrección que ayuda a que se
mantenga un ángulo de ataque constante sin
importar si la velocidad de rotación aumente o
disminuya con respecto al tiempo, para el cálculo
de este ángulo utilizamos la ecuación 3.
∅ (3)
Para dar más detalle del cambio del ángulo β con
respecto a la variación del radio se presenta la
grafica 3.
3 Tony B, David S, Nick J, Ervin B. Wind energy hand
book. Baffins lane:---: ---. 2001. p. 53.
Grafica 3. Variación [R] con respecto a [β].
2. MODELADO Y SIMULACIÓN.
Durante el modelado 3D del alabe debemos
recopilar los datos obtenidos durante el numeral 1,
dichos valores nos darán un diseño más detallado
para las condiciones de diseño mencionadas en el
numeral A y cumplir las especificaciones de
diseño de la turbina eólica de bajo costo ERC-1V.
Para el alabe que se va a utilizar en la turbina
eólica ERC-1V se utiliza el perfil NACA 2412, el
cual puede ser obtenido la curva característica de
la pagina del grupo de aerodinámica aplicada del
departamento de ingeniería aeroespacial de la
universidad de Illinois4, la cual se exportara como
una curva definida desde un documento de texto5
al programa de modelado en 3D Solid Edge©.
El primer paso es copiar los puntos que nos arroja
la base de datos de la universidad de Illinois a una
hoja de Excel y dejar los datos organizados de
mayor menor como se observa en la figura 3.
Fig. 3. Ilustración vorticidad producida por un movimiento
rotacional.
4 http://www.ae.illinois.edu 5 Block de notas de Microsoft office. [ naca2412.dat ]
Al guardar la hoja de Excel ya es posible importar
una curva según tabla por medio del botón
¨Curvas ¨ que se encuentra en el menú superficies
del programa Solid Edge©, tal como se ilustra en
la figura 4.
Fig. 4. Ilustración curva según tabla.
El resultado de exportar la serie de puntos que se
guardaron como una hoja Excel se muestra en la
figura 5.
Fig. 5. Ilustración perfil NACA 2412.
Para cada perfil se tendrá que rotar la figura para
coincidir con el ángulo de pitch [β] y el ángulo de
ataque, lo cual nos daría la mejor eficiencia
aerodinámica en el perfil del alabe. Fig. 6.
Fig. 6. Ilustración perfil NACA 2412 con ángulo de ataque.
A continuación se realiza una seria de cálculos de
regla de tres para determinar el tamaño adecuado
según la longitud de la cuerda que corresponde
para cada radio [r] de esta forma podemos dibujar
una serie de planos paralelos y así poder formar
una especie de ´´esqueleto´´ con el cual se formara
el sólido, en este caso el alabe de la turbina ERC-
1V tal y como se muestra en la figura 7
.
Fig. 7. Ilustración ´´esqueleto´´ del alabe.
Luego para culminar se realiza una protrusión
siguiendo la curva definida por los perfiles, lo cual
da como resultado un modelo 3D del alabe como
lo muestra la figura 8.
Fig. 8. Ilustración modelado 3D.
3. CONCLUSIONES
La potencia entregada por una turbina
eólica es directamente proporcional al radio de
giro de las aspas.
La eficiencia aerodinámica de un alabe es
determinada por el tipo de perfil utilizado ya que
como elemento rotacional va estar sujeto a las
mismas características aerodinámicas que un
plano fijo de una aeronave o de un plano
rotatorio como el de un helicóptero, por ende se
utiliza el mismo procedimiento para el cálculo
de alas o planos de aeronaves.
El uso de programas de cálculo como
Excel reduce en gran medida el tiempo de
diseño así como incrementa la posibilidad de
generar diversos diseños a partir de una misma
seria de cálculos.
El estado del arte para alabes de turbinas
eólicas es un diseño preliminar de las
condiciones que debe tener este elemento para
cumplir las condiciones predichas como base de
diseño las cuales están mencionadas en el
numeral 1.1 Variables y Nomenclatura.
4. RECOMENDACIONES.
Para rotar la curva del perfil NACA que
se ha seleccionado se debe tomar como
punto de rotación el borde de ataque del
perfil y no su centro de presión, de esta
forma se ubica de manera correcta el
ángulo de ataque previamente calculado.
El modelado en 3D debe ser por
secciones, así se toman dos perfiles
ubicados a cierta distancia [r] para
generar una protrusión mucho más
ajustada a la geométrica calculada y
elimina la posibilidad de generar formas
irregulares en el modelo 3D.
Cuando el ángulo de pitch exceda la
línea de tendencia en algún punto [r]
este deberá ser ignorado y tomar el
ultimo valor como referencia para ese
punto [r], como se ilustra en la grafica 1
donde el ultimo valor se sale por un
margen bastante alto la tendencia de los
valores anteriores.
La forma de la raíz del alabe debe estar
sujeto a cálculos físicos y mecánicos
basados en fuerzas centrifugas así como
el método en cual cual se unirá con el
resto de componentes de la turbina
eólica.
El ángulo de ataque ideal debe partir de
una velocidad de diseño que en conjunto
con la ayuda del programa Profili6 se
podrá obtener el ángulo de ataque
optimo para nuestro diseño preliminar,
este ángulo de ataque se obtiene en el
punto donde la relación cl/cd7 sea de 1 o
100%.
El número de variables fijas se puede
incrementar de acuerdo a las necesidades o
expectativas del diseñador, no obstante se
recuerda que a mayor número de variables
mayor será la probabilidad de error.
6 www.profili2.com 7 cl: coeficiente de lift o de sustentación; cd: coeficiente de
drag o de arrastre.
5. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.
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