turbo final (1)

CALCULO, DIMENSIONADO Y DISEO DE UNA TURBINA EOLICA TRIPALA PARA AEROGENERACION CON POTENCIA AL EJE DE 2 mW

CALCULO, DIMENSIONADO Y DISEO DE UNA TURBINA EOLICA TRIPALA PARA AEROGENERACION CON POTENCIA AL EJE DE 2 mWTurbomaquinas IMN-232 aprofesor:Ing. Espinoza Escriba, JuanalumnoS: Fecha de entrega: 3 de julio del 2015

universidad nacional de ingenieriaFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA2013-2Contenido1. INTRODUCCIN12. OBJETIVOS23. ANTECEDENTES34. IMPORTANCIA75. DESCRIPCIN GENERAL DE UN AEROGENERADOR86. PARMETROS DE DISEO117. DETERMINACIN DE LA GEOMETRA DE LA TURBINA148. DISEO PTIMO169. LONGITUD Y AERODINMICA DEL LABE1710. TRIANGULO DE VELOCIDADES Y GRADO DE REACCIN111. TRIANGULO DE VELOCIDADES PARA LAS 9 SECCIONES312. DISEO DEL ANLISIS EN SOLIDWORKS813. FORMULAS PARA EL DISEO Y DIMENSIONADO DEL GENERADOR ELECTRICO DE IMANES PERMANENTES1214. CONCLUSIONES1315. OBSERVACIONES1416. ANEXOS1517. BIBLIOGRAFA19

Tabla de contenido

1. INTRODUCCIN

Un aerogenerador es un generador elctrico movido por una turbina accionada por el viento (energa elica). Sus antecedentes directos son los molinos de viento que se emplean para la molienda y obtencin de harina. En este caso, la energa elica, en realidad la energa cintica del aire en movimiento, proporciona energa mecnica a un rotor hlice que, a travs de un sistema de trasmisin mecnico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifsico, que convierte la energa mecnica rotacional en energa elctrica.Esta propuesta est basada en los altos costos que tiene el sistema de energa elctrica y el abuso en la naturaleza ocasionando daos en el medio ambiente. Se buscara la manera de hacer til recursos naturales como la energa elica que proviene del viento logrando obtener un medio de energa para el hogar con un costo ms bajo utilizando una implementacin electrnica para amplificar, almacenar y utilizar la energa elica para producir energa elctrica e implementarla en un hogar.2. OBJETIVOSLos objetivos especficos son: Calcular Dimensionar Disear3. ANTECEDENTESDesde tiempos inmemoriales el ser humano ha requerido de energa para la realizacin de sus labores. Los primeros homnidos se basaban en la energa qumica para producir fuego con el que poder cocinar los alimentos; la energa mecnica humana o animal se empleaba en la produccin de utensilios con los que cazar o para labrar la tierra. A medida que la poblacin aumentaba y la tcnica mejoraba, se acrecentaron las necesidades energticas. Con la aparicin de las mquinas y la llegada de la Revolucin Industrial esta necesidad sufri un incremento inesperado que llev al empleo masivo de combustibles fsiles. El problema que esta fuente de energa lleva implcita es su limitada disponibilidad en la Tierra. Se han ido agotando las reservas halladas, y cada vez son menos las encontradas. El problema asociado de contaminacin y el consiguiente auge de la concienciacin ambiental han logrado que se tomen en consideracin otro tipos de fuentes, prcticamente inagotables, que ya se haban empleado antao y que con la tecnologa actual se ha conseguido transformarlas y mejorarlas para satisfacer la demanda actual de energa, generalmente como energa elctrica.

Los molinos de viento han sido utilizados desde hace aproximadamente 3000 aos, aunque antao su uso era exclusivo para el bombeo de agua de los pozos o para moler grano. La primera referencia histrica de un molino de viento data del siglo I A.D., en el cual Hern de Alejandra describe un artefacto que suministra aire a un rgano mediante el empleo de un molino de viento (figura 1.1).

Habra que esperar al siglo XII para encontrar los primeros molinos de viento de eje horizontal que empleaban la sustentacin en vez de la resistencia al aire para girar, por lo general con velocidad variable. Empleados principalmente en barcos, se usaron durante 700 aos sin conocer la fsica que haba detrs, hasta el siglo XIX, en el cual empezaron a entender los principios que provocaban dicho comportamiento. Se utilizaron ampliamente, llegando a formar parte del paisaje rural de muchos pases, aunque la llegada de los motores alimentados con combustibles fsiles, ms baratos, lograron imponer su dominio y los molinos cayeron en desuso. En el invierno de 1887, Charles F. Brush (1849-1929), un exitoso inventor y licenciado en ingeniera de minas, fabric el primer molino de viento (aeroturbina) que produca electricidad (figura 1.2). Con un rotor de 17 m y 144 palas de madera, esta mquina poda generar hasta 12 kW de potencia. Sin embargo, fue el dans Poul la Cour (1846-1908) el precursor de la tendencia actual en aerogeneradores de eje horizontal. Tras sus estudios e investigaciones, as como diversos ensayos en tnel de viento, lleg a la siguiente conclusin que public en su libro The Test Turbine: la turbina ideal debe llevar pocas palas, tener perfiles aerodinmicos, girar a altas revoluciones y el bisel de las palas debe ser muy pequeo.

3.1. LA ELICA ACTUAL. VENTAJAS E INCONVENIENTES El concepto actual de energa elica se basa en la transformacin de la energa cintica del viento en energa elctrica mediante el uso de aerogeneradores, que consisten bsicamente en un rotor que mueve un eje, el cual, mediante un generador, produce electricidad. Distan mucho en aspecto de los existentes a mediados del siglo XX. La mejora en el conocimiento de los materiales y la aerodinmica, as como ms avanzadas herramientas de clculo que emplean modelos mucho ms precisos que los que existan por entonces, han tenido un profundo impacto en su concepcin. Con el tiempo se han vuelto ms eficientes, ms silenciosos, ms fiables y de mayor tamao. La mayor parte de los beneficios de la elica son bien conocidos por el pblico en general, y algunos de los inconvenientes son apreciables por algunos grupos de personas que los sufren, pero es necesario citar todos los aspectos conocidos, buenos y malos, de esta fuente de energa denominada limpia e inagotable, y analizar las posibles soluciones que existen para mitigar los efectos adversos a su implantacin. 3.1.1. VENTAJAS INAGOTABLE Y LIMPIA: el viento es un fenmeno creado por las diferencias de presin atmosfrica entre puntos, yendo desde zonas de alta presin a zonas de baja presin, siendo por tanto un recurso global, explotable en muchas zonas del mundo. Inagotable porque es el sol el responsable de generar esas diferencias de presin, y limpia porque en todo el proceso de obtencin de la energa elctrica no se emiten gases contaminantes (dixidos de carbono, dixidos de sulfuro, xidos de nitrgeno, monxido de carbono) ni se generan residuos dainos para el medio ambiente. Es cierto que para la elaboracin de estas mquinas se ha necesitado de una cantidad de energa, pero el origen de esta no es conocido y por tanto no cuestionable.

NFIMO IMPACTO AL TERRENO CIRCUNDANTE: las instalaciones son fcilmente desmontables una vez acabada su vida til, y el terreno alrededor de los aerogeneradores se puede aprovechar para plantaciones o el pasto de ganado. Esto no es as cerca de plantas de energa que emplean combustibles fsiles, debido a las emisiones generadas, dainas para los organismos vivos y los edificios cercanos. Otra ventaja es la rpida instalacin de los aerogeneradores, ya que casi todos los elementos vienen prefabricados y slo es necesario adaptar el terreno para el transporte de los mismos y la maquinaria necesaria a su lugar de montaje, as como la fabricacin de los cimientos.

GENERA PUESTOS DE TRABAJO: pequeas y medianas empresas dan trabajo a miles de personas en todos los mbitos profesionales. Se necesita personal en las etapas de diseo e investigacin, fabricacin, mantenimiento y seguridad. INGRESOS PARA EMPRESAS O PROPIETARIOS LOCALES: la necesidad de la preparacin del terreno, as como su arrendamiento, genera ingresos que el sector regional suele ver con buenos ojos. Se contratan empresas locales para la construccin de los cimientos, pistas, cableado, o incluso se puede permitir la inversin mediante capital de la poblacin local. 3.1.2. DESVENTAJAS Los principales inconvenientes de la energa elica (Villarrubia, 2004) son: IMPACTO VISUAL: debido a la gran altura y envergadura de estas mquinas, visibles desde grandes distancias, muchos colectivos han denunciado el deterioro visual y las repercusiones que ello supone a los intereses de la zona afectada.

AVIFAUNA: se han dado casos de choques de aves con las palas de aerogeneradores, aunque no suele ser un hecho frecuente. Otro efecto que pueden tener sobre las aves es la alteracin de sus trayectos migratorios o de anidacin. Sin embargo, el uso de dispositivos que ahuyenten las aves o el traslado de sus zonas de anidacin (como ocurre con los aeropuertos) podra ser una solucin localizada en aquellos parques donde el problema revista gravedad.

RUIDO: efecto perjudicial causado por las puntas de las palas en su movimiento, as como de las maquinarias giratorias (multiplicadora, generador). Suele ser un dato de diseo o una limitacin impuesta por el comprador o por la autoridad competente en el emplazamiento, y por lo tanto es una adversidad salvable.

OCUPACIN DE SUELO: requieren un rea grande puesto que es necesario distanciarlos lo suficiente para que los efectos de un aerogenerador sobre el viento no influyan sustancialmente en el contiguo o posterior. Sin embargo, esta rea se puede emplear para usos agrcolas o ganaderos.

INTERFERENCIAS ELECTROMAGNTICAS: los aerogeneradores antiguos, cuyas palas estaban hechas de metal, eran causantes de problemas en la trasmisin de seales de televisin, radio o telecomunicaciones. Ahora, las palas se fabrican con materiales compuestos que apenas alteran dichas seales, estando, por tanto, mitigado el problema. An as, se han detectado interferencias en los radares meteorolgicos y las seales de vdeo digital terrestre, problemas que estn intentndose subsanar (Gallardo, 2011).

INTERMITENCIA DEL VIENTO: probablemente uno de los problemas de la energa elica. Esto hace que su uso deba estar respaldado por otras fuentes de energa ms constantes y predecibles. No obstante, actualmente se plantean soluciones como la compresin de aire o generacin de hidrgeno a partir de agua que pueden servir como fuentes de energa de reserva para situaciones de escaso viento.4. IMPORTANCIADebido a la importancia que tiene en estos momentos el aprovechamiento de las fuentes renovables de energa en el mundo, cada vez ms eficiente, es que se acomete el siguiente trabajo, donde se propone a partir de un estudio realizado la configuracin de un aerogeneradores de pequea potencia, para ser construidos en talleres de pocos requerimientos tcnicos.

En este trabajo se realiza una revisin bibliogrfica con el objetivo de conocer entre las configuraciones de aerogeneradores existentes, las mejores variantes en cuanto a fiabilidad, ventajas econmicas y sociales.5. DESCRIPCIN GENERAL DE UN AEROGENERADORLos aerogeneradores, con hlice de eje horizontal, por lo general, responden a un diseo relativamente estandarizado, conformado por las siguientes partes fundamentales Sistema de soporte Sistema de transmisin o eje de potencia Sistema rotor o turbina elica Sistema de control5.1 SISTEMA DE SOPORTEConsiste en la torre de soporte del aerogenerador y su correspondiente fundacin de anclaje. Su funcin es mantener el aerogenerador a la altura correcta de funcionamiento por sobre el nivel del suelo, debiendo ser capaz de tolerar el peso de ste y las diversas exigencias que conllevan la exposicin a fuertes vientos y el sostener un cuerpo de gran envergadura rotando.Hay cuatro tipos de torres: tubulares, de celosa (o enrejado), de mstil tensado e hbridas, tal como se aprecia en la figura N1

Figura N1.- Tipos de Soporte5.2 SISTEMA DE TRANSMISINCompuesto por el eje de rotacin, la caja amplificadora de revoluciones y el generador elctrico. Su funcin principal consiste en trasmitir la energa cintica de la rotacin de las aspas al generador elctrico, equipo que se encarga de transformar esta energa cintica en energa elctrica.El generador elctrico puede ser de diversos tipos, ya sea de corriente alterna o continua. Sin embargo los ms usados en la industria hoy en da son los generadores elctricos de corriente alterna, de preferencia generadores sincrnicos, principalmente para mquinas de baja potencia (menoresa100kW ) y generadores de induccin, principalmente en mquinas de alta potencia(mayoresa100kW).La caja amplificadora de revoluciones es un componente opcional, que slo se ocupa de modificar la velocidad de giro del eje que conecta con el generador elctrico. Luego, dependiendo del criterio de diseo de la mquina y la forma de opera de sta, puede considerarse o no (Figura N2)

Figura N2.- Ejemplo de una transmisin5.3 SISTEMA ROTOR O TURBINA ELICAEst compuesto por el conjunto de aspas y una ms a central, que en conjunto conforman la hlice, encargada de extraer parte de la energa cintica del viento y transformar la energa cintica de rotacin del eje del aerogenerador.Las aspas pueden seguir diversos perfiles aerodinmicos, diseados para poder captar la mxima energa cintica.A su vez la hlice puede estar compuesta ya sea por una, dos, tres o ms aspas, siendo el modelo de tres aspas el que predomina fuertemente en el mercado mundial de aerogeneradores.

Figura N3.- Ejemplos de aspas5.4 SISTEMA DE CONTROLSegn sea la forma de operacin del aerogenerador, se eligen distintos tipos de control de ste. El principal objetivo del sistema de control apunta a mantener constante el nivel del voltaje generado por la mquina, tarea que se ve dificultada por la naturaleza errtica y variable de la intensidad y direccin del viento, lo que genera fluctuaciones en los niveles de tensin que se registran en bornes de la mquina.6. PARMETROS DE DISEOPara la transformacin de la energa del viento en energa elctrica en un aerogenerador se determina a partir de la potencia de diseo, teniendo una relacin directa la caracterstica geomtrica del aerogenerador y las caractersticas energticas del viento. El diseo del rotor o turbina elica propiamente dicha, est basado en la teora del ala; as como para el clculo de las dimensiones del rotor se ha empleado las ecuaciones aerodinmicas.

Figura 6.1 Coeficiente De Potencia Cp6.1 POTENCIAConsiderando que el requerimiento nominal de potencia es igual a la potencia de diseo, se toma la siguiente expresin:

En el clculo de la potencia elctrica asumimos que la eficiencia del generador (g) es igual a 0.8

Dnde: : Densidad del aire, variable segn la ubicacin en msnm (1.23Kg/m3). A: rea barrida por la turbina (m2). V: Velocidad del viento a las condiciones de diseo (10 m/s). : Coeficiente de potencia, basado en el figura 6.1 el valor de Cp (0.5).6.2 VELOCIDAD DEL VIENTO A CONDICIONES DE DISEOEl funcionamiento bsico de un aerogenerador se podra resumir como sigue: Un Aerogenerador capta la energa cintica del viento por medio del rotor y aspas, para posteriormente transformar esta energa cintica y en energa elctrica. Luego, si se desea conocer la potencia que puede tener un aerogenerador, es necesario especificar la energa cintica proporcionada por el viento que se dispone. De la evaluacin del recurso elico en la zona de influencia se estima que la velocidad media que posee el viento es de 10 m/s.6.3 DIMETRO DE DISEO DEL AEROGENERADORDel clculo de la potencia de diseo se puede determinar el dimetro de diseo o dimetro nominal del rotor requerido para una potencia de 2 MW.Despejando la ecuacin (2) se obtiene la siguiente expresin:

Dnde: :Potencia elctrica de diseo : Densidad del aire, variable segn la ubicacin msnm (1.23 kg/m3 a nivel del mar) V: Velocidad del viento : Coeficiente de potencia (adimensional) (0.5)Al reemplazar:

6.4 COEFICIENTE DE CELERIDADDe la expresin:

Dnde: : Celeridad (asumimos 6) : Velocidad de giro de la turbina elica (rpm) : Velocidad tangencial en el extremo de la pala (m/s) : Velocidad de viento6.5 VELOCIDAD DE GIRO DEL ROTORLa velocidad de giro del rotor se puede obtener a partir del coeficiente de celeridad del a ecuacin (7):

Al reemplazar:

7. DETERMINACIN DE LA GEOMETRA DE LA TURBINACLCULO DE LA SECCIN DEL ALABEPara el clculo de la seccin del alabe se utilizar

Dnde: :Celeridad local para un radio r :Celeridad de diseo r:Distancia del centro del rotor a la seccin evaluada R:Radio de la turbina (m) :Angulo formado entre la velocidad relativa y el plano de giro del rotor C:Cuerda de seccin del alabe Z:Numero de Alabes o palas :Coeficiente de sustentacin del alabe :Angulo formado por el alabe con el plano de giro :Angulo de ataque tomado del perfil seleccionado N:Numero de Reynolds :Velocidad relativa del perfil :Viscosidad cinemtica del fluido (kg/m.s)

Para un ngulo de ataque =5 se tiene que CL=0.5

Usando las formulas:RrrClC

16.50033.34354.5100.880.56640.511.8010,0870.0664

26.50033.34359.0191.760.34480.58.8920,0870.1552

36.50033.343513.5292.640.24160.56.5840,0870.2584

46.50033.343518.0393.520.18470.55.1410,0870.3153

56.50033.343522.5494.400.14910.54.1930,0870.3509

66.50033.343527.0585.270.12490.53.5320,0870.3751

76.50033.343531.5686.150.10740.53.0470,0870.3926

86.50033.343536.0787.030.09420.52.6780,0870.4058

96.50033.343540.5877.910.08380.52.3870,0870.4162

106.50033.343545.0978.790.07550.52.1530,0870.4245

8. DISEO PTIMO ESTIMACIN DE ALTURA TERICA DEL ROTOR

Considerando condiciones de mxima potencia:Es decir: y , Cu * r = ctePara estas condiciones de mxima potencia, asumiendo H=45mDe: Entonces:Calculo de caudal:

Dimetro del cubo:De: Entonces Longitud del alabe:De: Entonces

9. LONGITUD Y AERODINMICA DEL LABEPara poder disear el aerogenerador descrito en este informe, son necesarios moldes y que permitan conformar los rotores y plantillas que faciliten los procesos de compresin, fijacin y dimensionado que pueden darse en la manufactura del aerogenerador.Se usara los datos del perfil NACA 4412Coordenadas del Perfil Naca 4412

Cuerda %Superior %Inferior %

000

11.252.44-1.43

22.53.39-1.95

354.73-2.49

47.55.76-2.74

5106.59-2.86

6157.09-2.88

7208.8-2.74

8259.41-2.5

9309.76-2.26

10409.8-1.8

11509.19-1.4

12608.14-1

13706.69-0.65

14804.89-0.39

15902.71-0.22

16951.47-0.16

171000.13-0.13

TURBOMAQUINAS MN 232 A

Tabla N2.- Dimensiones del perfil NACA 4412XBoX

2

9.1 TABLAS DE LOS PUNTOS DE CADA SECCIN

(Seccin 1-10)SECCIN 1

xy+y-espesor

0,0000,0000,0000,000

0,2500,488-0,2860,774

0,5000,678-0,3901,068

1,0000,946-0,4981,444

1,5001,152-0,5481,701

2,0011,318-0,5721,891

3,0011,418-0,5761,995

4,0011,761-0,5482,309

5,0021,883-0,5002,383

6,0021,953-0,4522,405

8,0031,961-0,3602,321

10,0031,839-0,2802,119

12,0041,629-0,2001,829

14,0051,338-0,1301,468

16,0050,978-0,0781,056

18,0060,542-0,0440,586

19,0060,294-0,0320,326

20,0060,026-0,0260,052


xy+y-espesor

0,0000,0000,0000,000

0,2220,433-0,2540,687

0,4440,602-0,3460,949

0,8880,840-0,4421,282

1,3321,023-0,4871,510

1,7761,171-0,5081,679

2,6641,259-0,5121,771

3,5521,563-0,4872,050

4,4411,671-0,4442,116

5,3291,734-0,4012,135

7,1051,741-0,3202,060

8,8811,632-0,2491,881

10,6571,446-0,1781,623

12,4341,188-0,1151,304

14,2100,869-0,0690,938

15,9860,481-0,0390,520

16,8740,261-0,0280,290

17,7620,023-0,0230,046

(Seccin 3-10)

SECCIN 3

xy+y-espesor

0,0000,0000,0000,000

0,1750,342-0,2010,543

0,3510,475-0,2730,749

0,7010,663-0,3491,012

1,0520,808-0,3841,192

1,4020,924-0,4011,325

2,1030,994-0,4041,398

2,8041,234-0,3841,618

3,5051,319-0,3511,670

4,2061,368-0,3171,685

5,6081,374-0,2521,626

7,0111,289-0,1961,485

8,4131,141-0,1401,282

9,8150,938-0,0911,029

11,2170,686-0,0550,740

12,6190,380-0,0310,411

13,3200,206-0,0220,229

14,0210,018-0,0180,036

(Seccin 4-10)

SECCIN 4

xy+y-espesor

0,0000,0000,0000,000

0,1410,275-0,1610,436

0,2820,382-0,2200,601

0,5630,533-0,2800,813

0,8450,649-0,3090,957

1,1260,742-0,3221,064

1,6890,798-0,3241,123

2,2520,991-0,3091,300

2,8161,060-0,2821,341

3,3791,099-0,2551,354

4,5051,104-0,2031,306

5,6311,035-0,1581,193

6,7570,917-0,1131,029

7,8840,753-0,0730,827

9,0100,551-0,0440,595

10,1360,305-0,0250,330

10,6990,166-0,0180,184

11,2620,015-0,0150,029


xy+y-espesor

0,0000,0000,0000,000

0,1160,227-0,1330,361

0,2330,316-0,1820,498

0,4660,441-0,2320,673

0,6990,537-0,2550,792

0,9320,614-0,2670,881

1,3980,661-0,2680,929

1,8640,820-0,2551,076

2,3300,877-0,2331,110

2,7960,910-0,2111,120

3,7280,913-0,1681,081

4,6600,857-0,1300,987

5,5920,759-0,0930,852

6,5240,624-0,0610,684

7,4560,456-0,0360,492

8,3880,253-0,0210,273

8,8540,137-0,0150,152

9,3200,012-0,0120,024


xy+y-espesor

0000

0,0990,193-0,1130,306

0,1980,268-0,1540,423

0,3960,374-0,1970,572

0,5940,456-0,2170,673

0,7920,522-0,2260,748

1,1870,561-0,2280,789

1,5830,697-0,2170,913

1,9790,745-0,1980,943

2,3750,773-0,1790,951

3,1660,776-0,1420,918

3,9580,727-0,1110,838

4,7490,644-0,0790,723

5,5410,530-0,0510,581

6,3330,387-0,0310,418

7,1240,215-0,0170,232

7,5200,116-0,0130,129

7,9160,010-0,0100,021


xy+y-espesor

0000

0,0860,167-0,0980,266

0,1720,233-0,1340,367

0,3430,325-0,1710,496

0,5150,395-0,1880,583

0,6860,452-0,1960,649

1,0300,487-0,1980,684

1,3730,604-0,1880,792

1,7160,646-0,1720,818

2,0590,670-0,1550,825

2,7460,673-0,1240,796

3,4320,631-0,0960,727

4,1190,559-0,0690,627

4,8050,459-0,0450,504

5,4920,336-0,0270,362

6,1780,186-0,0150,201

6,5210,101-0,0110,112

6,8650,009-0,0090,018


xy+y-espesor

0000

0,0760,148-0,0870,234

0,1510,205-0,1180,323

0,3030,286-0,1510,437

0,4540,349-0,1660,514

0,6050,399-0,1730,572

0,9080,429-0,1740,603

1,2110,533-0,1660,698

1,5130,570-0,1510,721

1,8160,591-0,1370,728

2,4210,593-0,1090,702

3,0260,556-0,0850,641

3,6320,493-0,0610,553

4,2370,405-0,0390,444

4,8420,296-0,0240,320

5,4480,164-0,0130,177

5,7500,089-0,0100,099

6,0530,008-0,0080,016


xy+y-espesor

0,0000,0000,0000,000

0,0680,132-0,0770,209

0,1350,183-0,1050,289

0,2700,256-0,1350,391

0,4060,312-0,1480,460

0,5410,356-0,1550,511

0,8110,383-0,1560,539

1,0820,476-0,1480,624

1,3520,509-0,1350,644

1,6230,528-0,1220,650

2,1640,530-0,0970,627

2,7040,497-0,0760,573

3,2450,440-0,0540,494

3,7860,362-0,0350,397

4,3270,264-0,0210,286

4,8680,147-0,0120,158

5,1380,080-0,0090,088

5,4090,007-0,0070,014

(Seccin 10-10)

SECCIN 10

xy+y-espesor

0,0000,0000,0000,000

0,0610,119-0,0700,189

0,1220,166-0,0950,261

0,2440,231-0,1220,353

0,3660,281-0,1340,415

0,4890,322-0,1400,462

0,7330,346-0,1410,487

0,9770,430-0,1340,564

1,2220,460-0,1220,582

1,4660,477-0,1100,587

1,9550,479-0,0880,567

2,4430,449-0,0680,517

2,9320,398-0,0490,447

3,4210,327-0,0320,359

3,9090,239-0,0190,258

4,3980,132-0,0110,143

4,6420,072-0,0080,080

4,8870,006-0,0060,013

9.2 DETALLE GEOMTRICO DE LA SECCIOn DE LA PALA

(Figura N7: perfiles de las diez secciones del alabe del 1-10)

10. TRIANGULO DE VELOCIDADES Y GRADO DE REACCINPara el clculo de los tringulos de velocidades se usaron las siguientes formulas:

Figura N8.- Detalle de los tringulos de velocidades

A la entrada de la turbinaCalculo del : De la Formula (14), despejando se tiene:

Calculo del :

Calculo del :

Calculo del :

u2r=u1rc2ur2r2rw2r

12,535174,1420123,9419791-4,00002284175,999977172,026063

25,07087,07100597,84698878-8,32554963171,6744582,8743927

37,60558,047337311,6800986-13,3816616166,61833851,8500664

410,14043,53550315,4101827-19,764876160,23512435,4860482

512,67534,828402419,0112051-28,4434093151,55659125,1947065

615,21029,023668622,4629247-40,9810024139,01899818,2980174

717,74524,877430325,7510316-59,2740547120,72594513,9596404

820,28021,767751528,8668149-82,932573597,067426512,0918735

922,81519,349112431,806506173,890015273,890015212,4904915

1025,35017,414201234,570445656,522675556,522675514,3866919

Tabla N7.- Tabla de valores para el tringulo de velocidades a la entrada del perfil

A la salida, sabemos que:Calculo del :

Calculo del :

u2r=u1rw2r1r1rw1r

2,535172,0260639078,071643512,26483693

5,07082,87439279067,095942213,02708333

7,60551,85006649057,635520914,20690061

10,14035,48604829049,802190115,71049331

12,67525,19470659043,43302917,45438698

15,21018,29801749038,271837919,37379932

17,74513,95964049034,068398921,42160183

20,28012,09187359030,61348123,56434595

22,81512,49049159027,743012925,77836738

25,35014,38669199025,331600628,04679126

Tabla N8.- Tabla de valores para el tringulo de velocidades a la salida del perfil

11. TRIANGULO DE VELOCIDADES PARA LAS 9 SECCIONES

Punto 1:

Punto 2:

Punto 3:

Punto 4:

Punto 5:

Punto 6:

Punto 7:

Punto 8:

Punto 9:

Punto 10:

12. DISEO DEL ANLISIS EN SOLIDWORKS

Figura N11.- vista 3D del aerogenerador

Figura N12.- Vista 3D de la paleta

Figura N13.- Vista 3D del aerogenerador

Figura N14.- Ubicacin del aerogenerador

13. FORMULAS PARA EL DISEO Y DIMENSIONADO DEL GENERADOR ELECTRICO DE IMANES PERMANENTES POTENCIAConsiderando que el requerimiento nominal de potencia es igual a la potencia de diseo, se toma la siguiente expresin:

Dnde: : Densidad del aire, variable segn la ubicacin en msnm (1.23Kg/m3). A: rea barrida por la turbina (m2). V: Velocidad del viento a las condiciones de diseo (10 m/s). : Coeficiente de potencia, basado en el figura 6.1 el valor de Cp (0.5).DIMETRO DE DISEO DEL GENERADORDespejando la ecuacin (2) se obtiene la siguiente expresin:

Dnde: :Potencia elctrica de diseo : Densidad del aire, variable segn la ubicacin msnm (1.23 kg/m3 a nivel del mar) V: Velocidad del viento : Coeficiente de potencia (adimensional) (0.5)COEFICIENTE DE CELERIDADDe la expresin:

Dnde: : Celeridad : Velocidad de giro de la turbina elica (rpm) : Velocidad tangencial en el extremo de la pala (m/s) : Velocidad de vientoVELOCIDAD DE GIRO DEL ROTORLa velocidad de giro del rotor se puede obtener a partir del coeficiente de celeridad del a ecuacin (5):

TRIANGULO DE VELOCIDADES Y GRADO DE REACCINPara el clculo de los tringulos de velocidades se usaron las siguientes formulas:

DETERMINACIN DE LA GEOMETRA DE LA TURBINACLCULO DE LA SECCIN DEL ALABEPara el clculo de la seccin del alabe se utilizar

Dnde: :Celeridad local para un radio r :Celeridad de diseo r:Distancia del centro del rotor a la seccin evaluada R:Radio de la turbina (m) :Angulo formado entre la velocidad relativa y el plano de giro del rotor C:Cuerda de seccin del alabe Z:Numero de Alabes o palas :Coeficiente de sustentacin del alabe :Angulo formado por el alabe con el plano de giro :Angulo de ataque tomado del perfil seleccionado N:Numero de Reynolds :Velocidad relativa del perfil :Viscosidad cinemtica del fluido (kg/m.s)

14. CONCLUSIONES

El aerogenerador puede ser una buena alternativa de generacin de electricidad en los pueblos ms alejados del Per, en los cuales an no existen redes elctricas; debido a la existencia de recursos para la explotacin a pequea escala. Los aerogeneradores fcilmente pueden competir con otras alternativas, siempre y cuando existan los recursos elicos Durante el proceso de diseo y el clculo de abastecimiento, se tomaron ciertos datos, principalmente los referidos a las caractersticas aerodinmicas de la hlice, que si bien restringen la evaluacin hecha a la utilizacin de una hlice de esas caractersticas, no modifican los diversos pasos a seguir en el procedimiento de diseo y evaluacin, como tampoco sobre el resultado de conveniencia econmica. Antes de disear el rotor de un aerogenerador, se debe hacer un estudio sobre el comportamiento del tipo de generador que se utilizara, el rango de potencia y el torque mnimo para vencer su inercia. Porque el generador es una unidad fabricada y en funcin a ella se puede disear el rotor de la elica, estando sujeta al criterio del proyectista. Se determina 3 alabes para el rotor de la elica, por las caractersticas propias del generador; unidad de alta velocidad y bajo torque. Tambin por la recomendacin de los fabricantes de aerogeneradores que atribuyen un comportamiento mas estable a un rotor de 3 alabes.

15. OBSERVACIONES A la hora de asumir el Ns, al darle un valor muy alto este hacia que nuestro resultados para el dimetro menor de la hlice salgan absurdos. Se a logrado disear un aerogenerador para la futura construccin de potencia de 800 watts con caractersticas mecnicas fiables, accesibilidad y facilidad de operacin. Es recomendable hacer pruebas a condiciones extremas: con vientos fuertes de 10 a 20 m/s, con vientos muy rafagosos o inestables. Al incrementar la altura de la torre de 10 a 50 metros puede duplicar la energa la energa del viento disponible Una turbia elica no debe colocarse en lugares expuestos a flujos de aire muy turbulentos porque esto puede afectar su rendimiento ya que una turbina no puede reaccionar a cambios rpidos en la direccin del viento y adems una turbulencia puede reducir la vida til de la turbina. Se le recomienda al estudiante a familiarizarse con las investigaciones ya que ser de gran ayuda mas adelante en el mbito profesional

16. ANEXOS15.1 REPRESENTACIN ESTADSTICA DE LA VARIACIN DEL VIENTO Dadas las caractersticas tan dispersas y aleatorias de la energa elica, es obvio que la nica manera de estudiar si un emplazamiento es adecuado o no, es utilizando la estadstica.Para ello se recurre a la representacin de la velocidad del viento como una variable aleatoria con una cierta funcin de distribucin.Normalmente se suele utilizar la distribucin de Weibull; se trata de una distribucin de dos parmetros: el parmetro de escalacy el parmetro factor de distribucin de formak.Para este caso contamos con una tabla de datos que cuenta con medidas de la velocidad del viento cada hora a lo largo de un mes. Estos datos estn adjuntos en la hoja de clculo datos.

Para determinar los parmetros c de escala y k de forma de la distribucin, se puede utilizar una aproximacin de mnimos cuadrados; partiendo de la funcin de distribucin de Weibull en la forma:

y tomando logaritmos dos veces se tiene:

que es de la forma:

A partir del grafico obtenemos que k=3.4275, procedemos a calcular c

Con los parmetros hallados graficamos la distribucin de probabilidades de WeibullK=3.43C =7.69

Lavelocidad media del viento es el primer momento de la funcin de densidad, n=1, siendo por tanto:

17. BIBLIOGRAFA Caractersticas del perfil NACA4412 http://library.propdesigner.co.uk/html/naca_4412_charateristics.html Clculo y Diseo de la Hlice ptima para Turbinas Elicas Autor: Ricardo A. Bastianon, Buenos Aires: Jornadas de Energas No Convencionales. Desarrollo de n prototipo experimental de un aerogenerador con una una capacidad de 120 W- AUTOR: VELASCO LORENZO,Dinau AO: (No 1485)MECANICA (Tesis) Diseo de un modelo experimental de un aerogenerador de baja potencia de baja potencia para la zona norte del Per. - AUTOR: EGUILUZ HURTADO, Ciro Scrates AO:1998 (No 1912)MECANICA (Informe) Aerogenerador de baja potencia - AUTOR: ZEGARRA RIVADENEIRA, Victor Wilfredo AO:2003 (No 2420)MECANICA (Tesis) Apuntes de clase.

turbo final (1)

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