diseño y construcción de una turbina eólica

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Page 1: Diseño y construcción de una turbina eólica

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

Page 2: Diseño y construcción de una turbina eólica

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©.

Page 3: Diseño y construcción de una turbina eólica

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.

Page 4: Diseño y construcción de una turbina eólica

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 ]

Page 5: Diseño y construcción de una turbina eólica

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

Page 6: Diseño y construcción de una turbina eólica

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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