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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinacin de Ingeniera Mecnica
DISEO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL
DE 5 KW DE POTENCIA
Por
Alejandro Ferrero Moya
Sartenejas, Octubre de 2007
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UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinacin de Ingeniera Mecnica
DISEO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL
DE 5 KW DE POTENCIA
Por
Alejandro Ferrero Moya
Realizado con la asesora de los profesores
Hernn Daz
Pedro Pieretti
INFORME DE PASANTA
Presentado ante la ilustre Universidad Simn Bolvar
Como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniera Mecnica.
Sartenejas, Octubre de 2007
-
UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR
Decanato de Estudios Profesionales
Coordinacin de Ingeniera Mecnica
DISEO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL
DE 5 KW DE POTENCIA
INFORME DE PASANTA presentado por Alejandro Ferrero
RESUMEN
El presente trabajo tiene como meta principal el diseo de un aerogenerador de eje
horizontal de 5 kW de potencia, que pueda suplir la demanda elctrica de viviendas
rurales en las zonas costeras del pas. El proceso de diseo se divide en dos partes
principales, diseo aerodinmico y diseo mecnico. La metodologa empleada se basa
en la utilizacin de un algoritmo de clculo tomado y mejorado de trabajos previos de
energa elica realizados en la Universidad Simn Bolvar. El algoritmo permite
calcular desde las variables aerodinmicas hasta los valores de cargas que debe soportar
el aerogenerador. Se presentan dos alternativas de diseo en base a dos tipos diferentes
de generadores elctricos, uno de procedencia extranjera y otro de manufactura
nacional. Esencialmente, se busca el equilibrio perfecto entre la sencillez y la
funcionalidad, buscando en un futuro la viabilidad constructiva de los prototipos para el
cumplimiento de los objetivos planteados.
PALABRAS CLAVE
Diseo, turbina, prototipo, micro aerogenerador.
Sartenejas, Octubre de 2007
-
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a Dios, mis familiares y amigos que han estado all siempre para
ayudar en aquellos momentos en los que todo se vea confuso.
-
AGRADECIMIENTOS
Gracias al profesorado de la Universidad Simn Bolvar, quienes me han
enseado en el transcurso de la carrera. Principalmente a los profesores Pedro Pieretti y
Hernn Daz quienes me dieron la oportunidad de haber realizado este trabajo.
Tambin agradezco a mis familiares y amigos quienes me han aportado en el da
a da la energa para seguir a adelante. Especialmente a Gerald Mayoral por haber
pensado en m en aquel momento a los inicios del proyecto. A Gustavo, Olga luca, por
haber brindado apoyo en los mejores y peores momentos en el transcurso de todos estos
aos, y a agradezco todas aquellas personas que directa o indirectamente me mostraron
apoyo incondicional, hoy y siempre.
Gracias a todos mis compaeros en el Instituto de Energa quienes siempre
brindaron apoyo, incluso cuando estuviesen muy ocupados proporcionaban ideas para
animarme y seguir adelante.
A Dios por ser la fuente principal de todo lo que ocurre en ste mundo.
-
i
INDICE GENERAL
INTRODUCCIN............................................................................................................ 1
CAPTULO 1
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................................. 4
1.1 Problemtica global. .......................................................................................... 4
1.1.1 Problemtica especfica .............................................................................. 6
1.1.2 Recurso elico en Venezuela ....................................................................... 7
1.1.3 Consumo elctrico rural.............................................................................. 9
1.2 Objetivos del proyecto. ..................................................................................... 10
1.2.1 Objetivo general ........................................................................................ 10
1.2.2 Objetivos especficos ................................................................................. 10
CAPTULO 2
2. MARCO TERICO....................................................................................................... 11
2.1 Aspectos generales sobre aerogeneradores ..................................................... 11
2.1.1 Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal ....................... 13
2.1.2 Alternativas de Diseo. ............................................................................. 15
2.2 Principios Tericos .......................................................................................... 16
2.2.1 El viento..................................................................................................... 16
2.2.2 Estudio del fenmeno ................................................................................ 17
2.3 Estudio del comportamiento de las ecuaciones................................................ 25
2.3.1 Coeficiente de empuje vs. Induccin axial ................................................ 25
2.3.2 Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad........................................ 28
2.4 Respecto a los fundamentos tericos utilizados para el desarrollo del
algoritmo de clculo utilizado en los trabajos previos de energa elica ............. 31
2.4.1 Respecto a la teora de momento de labe ................................................ 31
2.4.2 Respecto a la teora de elemento de alabe ................................................ 32
2.5 Consideraciones bsicas de perfiles aerodinmicos........................................ 33
2.5.1 Funcionamiento bsico de los perfiles ...................................................... 33
2.6 Algoritmo de clculo ........................................................................................ 35
2.6.1 Consideraciones respecto al proceso de clculo ...................................... 35
2.6.2 Configuracin general del algoritmo de clculo ...................................... 35
-
ii
CAPTULO 3
3. ASPECTOS MODIFICADOS DEL ALGORITMO DE CLCULO Y METODOLOGA DE DISEO .. 37
3.1 Modificaciones al algoritmo de clculo ........................................................... 37
3.2 Metodologa de diseo utilizada....................................................................... 38
3.2.1 Metodologa de diseo aerodinmico ....................................................... 38
3.2.2 Metodologa de diseo mecnico .............................................................. 38
CAPTULO 4
4. DISEO AERODINMICO ............................................................................................ 40
4.1 Consideraciones iniciales sobre diseo aerodinmico .................................... 40
4.2 Potencia nominal respecto al radio de pala..................................................... 40
4.3 Nmero de palas, razn de velocidad y coeficiente de potencia..................... 41
4.3.1 Nmero de palas........................................................................................ 41
4.3.2 Razn de velocidad y Coeficiente de potencia .......................................... 42
4.4 Velocidad de viento de diseo .......................................................................... 43
4.4.1 Velocidades de viento promedio................................................................ 44
4.4.2 Mtodos estadsticos para medicin del recurso elico............................ 47
4.4.2.1 Distribucin de Weibull...................................................................... 47
4.5 Anlisis de perfiles aerodinmicos y condiciones de flujo............................... 51
4.5.1 Consideraciones de flujo ........................................................................... 51
4.5.2 Seleccin de perfiles aerodinmicos ......................................................... 52
4.5.2.1 Consideraciones de arranque............................................................. 53
4.5.2.2 Consideraciones de sustentacin y arrastre....................................... 54
4.5.2.3 Anlisis del perfil seleccionado.......................................................... 60
4.6 Consideraciones estructurales sobre la geometra de la pala ......................... 66
4.7 Condiciones de operacin de la turbina fuera del punto nominal ................... 70
4.8 Estimacin de la energa producida................................................................. 71
CAPTULO 5
5. DISEO MECNICO ................................................................................................... 75
5.1 Consideraciones elctricas para el diseo de componentes ............................ 75
5.1.1 Velocidades de giro de las mquinas elctricas........................................ 75
5.1.1.1 Generadores elctricos de imanes permanentes ................................ 76
-
iii
5.1.1.1.3 Generador elctrico de imanes permanentes desarrollado en la
Universidad Simn Bolvar. ........................................................................... 78
5.2 Metodologa de diseo mecnico y consideraciones previas........................... 79
5.2.1 Consideraciones de carga ......................................................................... 79
5.2.2 Consideraciones sobre los programas computacionales .......................... 80
5.2.3 Desarrollo del diseo mecnico................................................................ 81
5.2.3.1 Diseo del buje ................................................................................... 82
5.2.3.2 Diseo del eje horizontal o principal y sus chumaceras .................... 86
5.2.3.3 Diseo del eje vertical ........................................................................ 87
5.2.3.4 Diseo del sistema de orientacin...................................................... 89
5.2.3.5 Diseo del sistema de control............................................................. 90
5.2.3.6 Diseo de la estructura interna de aerogenerador ............................ 91
5.2.3.7 Diseo del carenado........................................................................... 93
5.2.3.8 Soporte del eje vertical ....................................................................... 94
5.2.3.9 Diseo de la torre ............................................................................... 95
5.2.4 Consideraciones adicionales sobre diseo mecnico. .............................. 96
CAPTULO 6
6. RESULTADOS ............................................................................................................ 99
CAPTULO 7
7. ANLISIS DE LOS RESULTADOS. ................................................................................ 102
CONCLUSIONES........................................................................................................ 107
RECOMENDACIONES .............................................................................................. 108
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ......................................................................... 109
ANEXOS...................................................................................................................... 110
-
iv
INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1: Escala de viento de Beaufort ........................................................................... 7
Tabla 1.2: Consumo elctrico promedio mensual de una vivienda rural ......................... 9
Tabla 4.1: Velocidades de viento promedio mensual en Paraguan. ............................. 44
Tabla 4.2: Velocidad de viento promedio mensual en El Yaque, Isla de Margarita ...... 45
Tabla 4.3: Comportamiento de la turbina fuera del punto de operacin para diferentes
puntos nominales de operacin....................................................................................... 70
Tabla 5.1: Clases de viento de la IEC............................................................................. 80
Tabla 5.2: Anlisis de riesgo para configuraciones de buje ........................................... 82
Tabla 6.1: Caractersticas generales del prototipo.......................................................... 99
Tabla 7.1: Anlisis de riego para diferentes configuraciones de sistema de control.... 105
-
v
INDICE DE GRFICOS
Grfico 2.1: Coeficiente de potencia y Coeficiente de empuje en funcin de a ......... 24
Grfico 2.2: Coeficiente de empuje en funcin de a para diferentes expresiones.......... 27
Grfico 2.3: Coeficiente de empuje en funcin de a. Glauert, Spera, Prandtl................ 28
Grfico 2.4: Coeficiente de potencia para diferentes condiciones de sustentacin y
arrastre. ........................................................................................................................... 30
Grfico 4.1: Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad. ....................................... 42
Grfico 4.2: Velocidad de viento en el tiempo para la primera semana de mayo de 2007
en Playa el Yaque, Margarita. ........................................................................................ 46
Grfico 4.3: Distribucin de Weibull para registros de viento en El Yaque, Isla de
Margarita, para los meses desde mayo a agosto de 2007. .............................................. 49
Grfico 4.4: Coeficiente de sustentacin vs. ngulo de ataque para Re=100.000. ....... 53
Grfico 4.5: Coeficiente de sustentacin vs. ngulo de ataque para Re=500.000. ....... 54
Grfico 4.6: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil E387
........................................................................................................................................ 55
Grfico 4.7: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil FX
63-137............................................................................................................................. 56
Grfico 4.8: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil S822
........................................................................................................................................ 56
Grfico 4.9: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil S834
........................................................................................................................................ 57
Grfico 4.10: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil
SD2030 ........................................................................................................................... 57
Grfico 4.11: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil
SH3055 ........................................................................................................................... 58
Grfico 4.12: Cociente entre coeficiente de sustentacin y coeficiente de arrastre para
los perfiles seleccionados a Re=100.000........................................................................ 59
Grfico 4.13: Cociente entre coeficiente de sustentacin y coeficiente de arrastre para
los perfiles seleccionados a Re=500.000........................................................................ 59
Grfico 4.14: Re a lo largo de la pala para diferentes valores de razn de velocidad.... 62
Grfico 4.15: Re a lo largo de la pala para diferentes condiciones de coeficiente de
sustentacin .................................................................................................................... 63
-
vi
Grfico 4.16: Re a lo largo de la pala para condiciones diferentes de radio de pala...... 64
Grfico 4.17: Re a lo largo de la pala para diferentes condiciones de velocidad de diseo
........................................................................................................................................ 65
Grfico 4.18: Cuerda vs. Distancia radial adimensional para diferentes valores de razn
de velocidad, bajo una configuracin de tres labes y un radio de pala fijo. ................. 68
Grfico 4.19: Cuerda vs. Distancia radial adimensional para diferentes valores de Cl,
bajo una condicin de tres labes y un radio de pala fijo. .............................................. 68
Grfico 4.20: Cuerda vs. Distancia radial adimensional de la pala para diferentes valores
de radio de pala, bajo una configuracin de tres labes y razn de velocidad fija......... 69
Grfico 4.21: Curva de potencia del aerogenerador. ...................................................... 72
Grfico 7.1: Curva de potencia del aerogenerador en funcin de la velocidad de giro
para diferentes condiciones de diseo .......................................................................... 102
Grfico 7.2: Curva de potencia del aerogenerador en funcin de la velocidad de diseo
para diferentes condiciones de diseo .......................................................................... 103
-
vii
INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Balance energtico venezolano [1] ................................................................. 5
Figura 1.2: Mapa elico venezolano. Ao 2004............................................................... 8
Figura 2.1: Aerogeneradores en sus principios, enfocados al bombeo de agua. ............ 11
Figura 2.2: Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal. ........................... 13
Figura 2.3: Circulacin de los vientos a nivel mundial. ................................................. 16
Figura 2.4: Viento a travs de un aerogenerador............................................................ 18
Figura 2.5: Esquema de velocidades en el rotor. Se visualizan las zonas 1, 2,4 y 4 con
sus velocidades respectivas. ........................................................................................... 19
Figura 2.6: Perfil aerodinmico. ..................................................................................... 33
Figura 2.7: Tringulo de velocidades en el perfil. .......................................................... 34
Figura 4.1: Curva de duracin de potencia para el aerogenerador respecto a la curva de
Weibull. .......................................................................................................................... 73
Figura 5.1: Vista frontal del generador elctrico coreano. ............................................. 78
Figura 5.2: Buje diseado para la segunda opcin de diseo......................................... 83
Figura 5.3: Buje diseado para la primera opcin de diseo. ........................................ 84
Figura 5.4: Eje principal de la turbina. ........................................................................... 87
Figura 5.5: Eje vertical. .................................................................................................. 88
Figura 5.6: Veleta. .......................................................................................................... 90
Figura 5.7: Estructura interna de soporte para el aerogenerador segunda opcin.......... 92
Figura 5.8: Estructura interna de soporte para el aerogenerador primera opcin........... 92
Figura 5.9: Carenados para ambas opciones. ................................................................. 93
Figura 5.100: Soporte del eje vertical............................................................................. 95
Figura 5.11: Estructura interna inicial del labe............................................................. 97
Figura 6.1: Aerogenerador primera opcin. Apariencia transparente .......................... 100
Figura 6.2: Aerogenerador segunda opcin. Apariencia transparente.......................... 100
-
viii
NOMENCLATURA
Grados sexagesimales
C Grados centgrados
% Porcentaje
ngulo
U Desviacin estndar Razn de velocidad
Viscosidad cinemtica del fluido
Densidad del aire
Angulo de ataque
Velocidad de giro
a Coeficiente de induccin axial
a.m. Ante meridiam
ap Coeficiente de induccin angular
B Nmero de alabes
c Cuerda del perfil
ce Factor de escala
Cd Coeficiente de arrastre
Cl Coeficiente de sustentacin
cm Centmetro
CO2 Dixido de carbono
Cp Coeficiente de potencia
Cpmximo Coeficiente de potencia mximo
CT Coeficiente de empuje
dA Diferencial de fuerza de arrastre
dF Diferencial de fuerza resultante
dFa Diferencial de fuerza axial
dFu Diferencial de fuerza til
dm Diferencial de masa
dr Diferencial de radio
dS Diferencial de fuerza de sustentacin
Ek Energa cintica
f Frecuencia de corriente alterna
-
ix
k Factor de forma
Kg Kilogramos
kW Kilovatio
kWh Kilovatio hora
m Masa, metros
m/s Metros por segundo
n Velocidad de giro en RPM
Npp Nmero de pares de polos
NOx Oxido nitroso
p (U) Probabilidad de velocidad
p.m Post meridiam.
Potnecesaria Potencia nominal necesaria
Potencia del viento vientoP
R Distancia Buje Pala
Re Nmero de Reynolds
ro Radio base
RPM Revoluciones por minuto
T Momento lineal
U Velocidad de viento
U1 Velocidad de viento inicial
U4 Velocidad de viento final
Velocidad de viento promedio promU
USB Universidad Simn Bolvar
V Velocidad, Velocidad de viento en el rotor
Vtang Velocidad tangencial del rotor
W Velocidad relativa del viento
-
1
INTRODUCCIN
En Venezuela y el mundo se ha visto la necesidad de buscar fuentes alternas de
energa. Primordialmente las razones se fundamentan en bajar el consumo de los
combustibles fsiles, logrando en el tiempo la disminucin de las emanaciones de CO2
y NOx que se depositan da a da en la atmsfera terrestre. En adicin a los factores
ambientales, se puede mencionar que en algunos pases el costo de la gasolina y toda la
gama de combustibles fsiles es bastante elevado.
La motivacin principal es combinar los aspectos tanto econmicos como
ambientales para crear una conciencia colectiva referente al uso de tecnologas de
generacin de energa, fundamentadas en recursos limitados que generan consecuencias
ambientales y econmicas.
Venezuela presenta un marco diferente al resto de los pases cuya economa no
se basa en la explotacin petrolera, sin embargo, la nacin ha olvidado la infinidad de
recursos naturales presentes ahogndose en el oro negro.
La implementacin de energas renovables en Venezuela traera innumerables
beneficios dentro de los campos ambientales y econmicos. La idea es no sustituir una
fuente de energa por otra, sino realizar una simbiosis entre ellas, de manera de llenar
los vacos que se crean por las limitaciones de cada una.
Las energas alternativas toman como fuente energtica elementos naturales que
se clasifican como virtualmente inagotables, ya que son capaces de regenerarse
mediante procesos de la naturaleza. Entre las fuentes ms importantes de energas
renovables tenemos el sol, el agua, el calor de la tierra, y el viento.
La energa elica o energa proveniente del viento, se encuentra dentro de las
energas alternativas, como una de las ciencias ms desarrolladas e investigadas
actualmente.
-
2
La energa elica nace en Europa, especficamente en Dinamarca. Hoy por hoy,
pases como Alemania y Espaa se sitan al nivel de Dinamarca, conformando los
pases europeos ms desarrollados en este tema, sin embargo, el resto del viejo
continente ha implementado en gran medida este tipo de energa.
En un futuro se espera aprovechar el recurso elico presente en todos los lugares
del mundo. La utilizacin del viento como fuente de energa, proporciona electricidad a
sus usuarios con un impacto ambiental casi nulo sin un gasto de combustible constante,
ya que la naturaleza lo proporciona.
El objetivo principal de este trabajo es el diseo de un aerogenerador de 5 kW de
potencia destinado al suministro de energa elctrica a poblaciones alejadas de la red
elctrica venezolana. Entre las ubicaciones tentativas de la mquina se encuentran las
zonas costeras, debido principalmente a que los vientos en estos lugares se caracterizan
por ser los ms elevados del pas.
La Isla de Margarita, la pennsula de Paraguan, el archipilago de Los Roques,
y la Pennsula de la Guajira, son los lugares especficos donde eventualmente se puede
ubicar la mquina.
El presente proyecto nace de las investigaciones previas realizadas sobre energa
elica en el pas. Especficamente la tesis realizada por los ingenieros Gerald Mayoral y
Anbal Graterol, basada en el diseo de un aerogenerador de 1 kW de potencia,
realizada como proyecto de grado en la Universidad Simn Bolvar para el ao de 2006.
De la tesis anteriormente citada, se utiliz un algoritmo de clculo que genera la
geometra de los labes para una condicin ptima de funcionamiento. El proceso de
clculo o algoritmo fue revisado, mejorado y adaptado en funcin del diseo que se
presentar en este trabajo.
El proyecto se limita al diseo de la mquina de 5 kW. Posteriormente se espera
entrar en una fase de construccin que permita la evaluacin del prototipo, para que en
un futuro se desarrollen otros proyectos referentes a energa elica, utilizando la
informacin aprendida. La fase de construccin no entra en el mbito de este trabajo, sin
-
3
embargo, todo el diseo realizado se pens en base a las limitaciones constructivas
presentes en Venezuela, desde la seleccin de los materiales hasta la geometra de los
componentes.
En el transcurso de la lectura, se observar todo el proceso que conllev el
diseo de la mquina de 5 kW. Se empezar por un recorrido acerca de los aspectos
tericos ms importantes en los que se basa el comportamiento de los aerogeneradores.
Es pertinente sealar que uno de los comportamientos tericos ms simples sobre las
mquinas elicas determinar una de las condiciones de diseo ms importantes.
Seguidamente se entrar en el diseo aerodinmico, conformado por los pasos
que se siguieron para darle la geometra al labe de la turbina. La forma de la pala o
labe se efectu para una condicin de flujo determinada, junto con las exigencias
estructurales que debe resistir el mismo.
Consecuentemente, el aerogenerador no es solo las palas, de manera que se
realiz el diseo mecnico de todos los elementos que conforman la mquina. Las
estimaciones de cargas bajo criterios de diseo proporcionaron las fuerzas respectivas
que debe soportar el aerogenerador para condiciones determinadas.
Como resultado, se obtuvieron dos propuestas de aerogeneradores de 5 kW de
potencia nominal, fundamentadas en dos opciones de generadores elctricos a utilizar.
Ambos se disearon para las mismas condiciones de flujo y las mismas cargas
estructurales.
-
4
CAPTULO 1 1. Planteamiento del problema.
1.1 Problemtica global.
El aumento geomtrico de la poblacin motiva a la bsqueda de fuentes de
energas alternativas que satisfagan los vacos potenciales de energa que se proyectan
para aos futuros en Venezuela y el mundo.
Si se observa a detalle a Venezuela, se evidencia la divisin del pas en dos
mundos. El primero corresponde a un grupo de personas que disfrutan de una calidad de
vida digna con todas las necesidades elementales cubiertas. Pero el segundo, representa
una gran cantidad de personas que viven al margen de la sociedad. Se hace referencia a
esta realidad ya que hoy en da un gran porcentaje de venezolanos no tienen acceso a la
electricidad.
Segn las estadsticas de la ONU/INE/BM/UNICEF/UNESCO [1], el 10% de la
poblacin para el ao del 2005 careca de energa elctrica. En base a estos datos, se
observa la cantidad de poblacin que se encuentra o se sigue encontrando marginada.
Para que estas personas se integrasen a la sociedad, se debera ofertar al menos un 10%
extra energa elctrica. Consecuentemente, es necesario crear nuevas infraestructuras
que permitan generar este remanente de energa, y esto sin contar con el crecimiento
constante de la poblacin que seguir demandando energa.
La realidad energtica que se avecina en el pas se puede observar en la figura a
continuacin. Los pronsticos de demanda elctrica sobrepasan los valores de oferta
para la infraestructura actual. En consecuencia, es necesario buscar nuevas alternativas.
Ver figura 1.1.
-
5
Figura 1.1 Balance energtico venezolano [1]
La situacin pronosticada en la figura 1.1 motiva a muchas empresas
venezolanas especializadas en generacin de energa, tanto termoelctrica como
hidroelctrica, a que se interesen cada vez ms en las denominadas fuentes de energa
renovables. Segn las estadsticas mundiales de la IEA ENERGY STATISTICS [2], el
crecimiento de las renovables ha aumentado de un 0,1% al 0,5% desde el ao 1973
hasta el 2001.
A nivel nacional, ya para el ao 2015 existir una demanda energtica que ser
pertinente suplir, y es por esto que la energa elica, al ocupar un lugar dentro de las
energas renovables, ser una de las alternativas a seguir para lograr suplir las futuras
demandas energticas.
Econmicamente la energa elica favorece al ahorro de combustibles fsiles
que dejarn de consumirse en el territorio nacional para ser destinados a la venta.
Simplemente no se trata de retirar una tecnologa del mercado, sino ms bien
aprovechar an mejor el petrleo que se explota, logrando as mayores ingresos al pas.
Ambientalmente, la implementacin de una tecnologa limpia con una fuente de
combustible casi infinita, logra en el tiempo bajar las emisiones de CO2, NOX y muchos
-
6
otros compuestos gaseosos que se alojan constantemente en la atmsfera, produciendo
la desmejora de la calidad del aire que se respira. Es evidente que la disminucin de
ellos significara una mejora a la salud, y sin contar la infinidad de aves y animales
marinos que se ven afectados cuando ocurren los nunca deseados derrames petroleros.
Ahora bien, combinando los factores ambientales con los factores econmicos,
se ha dejado de pensar el cuanto cuesta salvar los animales marinos despus de un
derrame, se ha dejado de pensar los millones de dlares invertidos en investigacin
mdica por casos de asma y fallas respiratorias, se ha dejado de pensar lo que costara
como humanidad cuando los casquetes polares se derritiesen a causa del calentamiento
global, en fin, existen una extensa cantidad de costos indirectos que se han expendido
en arreglar los daos que conciente o inconcientemente han producido aos de
tecnologas sucias. Es importante mencionar que ste tipo de energas han contribuido
en gran parte al desarrollo de la humanidad, sin embargo es necesario seguir el proceso
evolutivo pero con una conciencia ambiental de manera de preservar el lugar donde
habitan los seres humanos.
La energa elica es una alternativa que implementa el desarrollo sustentable
como primicia, logrando en el trmino de la distancia, la mejora de la calidad de vida
tanto de la humanidad, como la del planeta.
1.1.1 Problemtica especfica
Se tomar como base estudios previos sobre energa elica nacionales,
especficamente la tesis realizada por los ingenieros Gerald Mayoral y Anbal Graterol
para el ao 2006 en la Universidad Simn Bolvar [3], basada en el diseo de un
aerogenerador de 1kW de potencia para zonas rurales. En base a esta exitosa tesis, nace
este proyecto con una motivacin similar, con la diferencia de aumentar notablemente la
potencia de la mquina y consecuentemente, su ubicacin.
Este proyecto se basa en el diseo de un aerogenerador de 5kW de potencia,
pero para lograr que esta mquina genere tal potencia, es necesario ubicarla zonas donde
los vientos, en promedio, sean mucho mayores a los que se encuentran en el interior del
-
7
pas. Segn la escala de Beaufort [4], la intensidad de los vientos se puede apreciar en la
siguiente tabla.
Tabla 1.1: Escala de viento de Beaufort
Fuerza Beaufort Velocidad del viento (m/s)
Trminos usados en las predicciones del NWS
0 0 a 0.2 Calma
1 0.3 a 1.5 Ventolina
2 1.6 a 3.3 Brisa muy dbil
3 3.4 a 5.4 Brisa dbil, flojo
4 5.5 a 7.9 Bonacible, brisa moderada
5 8.0 a 10.7 Brisa fresca, fresquito
6 10.8 a 13.8 Fresco, brisa fuerte, moderado
7 13.9 a 17.1 Frescachn, viento fuerte
8 17.2 a 20.7 Temporal, viento duro
9 20.8 a 24.4 Temporal fuerte, viento muy duro
10 24.5 a 28.4 Temporal duro
11 28.5 a 32.6 Temporal muy duro, borrasca
12 mayor a 32.7 Temporal huracanado
La tabla 1.1 expone cmo se clasifican los vientos dependiendo de la velocidad
que se mida en promedio en un lugar determinado. Entendiendo que la velocidad de
viento vara impredeciblemente, se pueden construir mapas de viento que presenten las
velocidades promedio a lo largo de una medicin de calidad, logrando as una idea
grfica del recurso en un rea determinada. Existen otros factores que determinan la
velocidad del viento, pero este aspecto ser explicado a profundidad a lo largo de la
lectura.
1.1.2 Recurso elico en Venezuela
El recurso elico se potencia principalmente en las costas con vientos clase 6, y
vientos clase 7 para la Pennsula de Paraguan, lugar idneo para los emplazamientos
elicos en Venezuela. Las regiones al sur de la cordillera de la costa y la de los llanos
presentan un potencial elico notablemente disminuido comparado con el potencial de
las zonas costeras. Las zonas ubicadas desde la lnea que delimita el estado Bolvar
-
8
hacia el sur del pas, no presentan un recurso elico de calidad y por eso no aparecen
tabulados en la figura 1.2.
El siguiente grfico representa en cierta medida el recurso elico venezolano,
pero no necesariamente se comporta de sta manera, ya que se tienen dudas sobre el
origen de la data obtenida, pero s se ilustra la distribucin global de los vientos
venezolanos.
Figura 1.2: Mapa elico venezolano. Ao 2004
Gracias al potencial de elico existente en la regin costera, se consideran como
locaciones tentativas para la mquina de 5kW la Isla de Margarita, La Pennsula de
Paraguan, El archipilago de los Roques y la Pennsula de la Guajira. El diseo de esta
mquina va dirigido para el suministro elctrico de viviendas rurales que se encuentren
en estos lugares.
De manera ms puntual, se ha comentado por voz popular que en los Roques
existe una problemtica bastante interesante. Debido a la ubicacin del archipilago, la
comunidad se ve en la necesidad de utilizar plantas elctricas a base de combustibles
fsiles que son llevados a las islas en forma de barriles. Se ha visto que en algunas
ocasiones los barcos que transportan los barriles no pueden aventurarse a quedarse
encallados a la orilla de las playas, forzando a que el transporte de los mismos a las islas
-
9
sea en contacto directo con el mar, es decir, flotando hasta las costas. Sabiendo que el
archipilago es Parque Nacional, la disminucin del potencial riesgo que se induce al
transportar los barriles por el agua con la implementacin de mquinas elicas
pequeas, podra reducir la demanda de combustibles y evitar los potenciales derrames
de estos hidrocarburos. Para este caso particular, la instalacin de aerogeneradores trae
bastantes beneficios.
1.1.3 Consumo elctrico rural.
En primera instancia, se puede estimar el consumo energtico de una vivienda
rural para observar la cantidad de carga que puede manejar un aerogenerador de 5 kW.
Entre los artefactos elctricos mas comunes dentro de una vivienda rural se encuentran
los siguientes: 5 bombillos para alumbrado de la misma, cocina de dos hornillas, una
nevera de alta eficiencia, un televisor a color de 19, un calentador de agua y un equipo
de sonido. Segn la empresa venezolana de electricidad llamada ENELBAR (Energa
Elctrica de Barquisimeto), se puede estimar el consumo promedio mensual en kWh de
los artefactos mencionados en la tabla 1.2.
Tabla 1.2: Consumo elctrico promedio mensual de una vivienda rural
Artefacto elctrico Consumo diario
(Kwh.) 5 bombillos incandescentes de 60W (8 horas) 0.3000 Nevera de 16 pies de alta eficiencia (24 horas) 0.3784 Equipo de sonido (3 horas) 0.1032 Calentador de agua 1000W (3 horas) 1.0000 Televisor 19 (5 horas) 0.0946 Cocina de 2 hornillas (2 horas) 1.50
Consumo promedio mensual 547.93
Se debe recalcar que el consumo elctrico vara dependiendo de las horas de
funcionamiento de los artefactos elctricos y a la cantidad de los mismos. La fuente
tomada proporciona una idea del consumo promedio mensual de una vivienda rural para
las necesidades de Barquisimeto. El consumo elctrico puede variar segn los
requerimientos de otra ubicacin geogrfica, pero la informacin proporcionada permite
realizar un estimado certero del comportamiento de la vivienda, a manera de tener un
primer estimado de la carga de una vivienda rural.
-
10
1.2 Objetivos del proyecto.
1.2.1 Objetivo general
Disear un aerogenerador de eje horizontal de 5 kW de potencia que supla la
necesidad elctrica de una vivienda rural ubicada en las zonas costeras del pas, que
funcione para el viento predominante, como modelo de estudio para el desarrollo de
tecnologas nacionales que se adapten a proyectos futuros de implantacin de este tipo
de fuentes de energa.
1.2.2 Objetivos especficos
Puesta a punto de los algoritmos de clculo utilizados para el diseo de aerogeneradores previos
Estudio de perfiles aerodinmicos que satisfagan el diseo aerodinmico Diseo de los alabes con una geometra ptima para la velocidad de viento de
diseo definida
Diseo completo del rotor de la turbina Diseo mecnico de los elementos componentes del aerogenerador Especificaciones del generador elctrico y del sistema elctrico Diseo del sistema de orientacin y del sistema de control Diseo del carenado Diseo de la torre de soporte Realizacin de los planos para la construccin
-
11
CAPTULO 2 2. Marco terico
2.1 Aspectos generales sobre aerogeneradores
Los aerogeneradores son mquinas diseadas para convertir la energa cintica
del viento en energa mecnica rotacional en un eje, y ste a su vez se acopla a un
generador elctrico y se produce energa elctrica, bien sea para alimentar a una carga
especfica o para conectarse a la red elctrica.
Los aerogeneradores pueden ser de eje horizontal o eje vertical, sin embargo, se
har referencia especficamente de las mquinas de eje horizontal ya que son el tema
esencial de este trabajo.
Las HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) llamadas de esta manera por sus
siglas en ingls, turbina de viento de eje horizontal, son las mquinas que han dominado
el mercado debido a que presentan mejor desempeo respecto a otras configuraciones,
como por ejemplo las de eje vertical. La ventaja de aprovechar el movimiento lineal del
viento para producir un movimiento rotativo en un eje, permite inducir velocidades
elevadas de rotacin, aprovechando las velocidades de viento que se encuentran a
alturas elevadas gracias al uso de la torre. Las HAWT fueron utilizadas desde los
tiempos antiguos para tareas cotidianas como el bombeo de agua. En la siguiente figura
se observa un molino de viento antiguo.
Figura 2.1: Aerogeneradores en sus principios, enfocados al bombeo de agua.
-
12
Observando a detalle, se resalta el tmido desarrollo de la construccin de los
labes, llamados tambin palas, que son las piezas que captan la energa del viento,
produciendo el movimiento rotativo en el eje. Resaltado en la figura 2.1 se visualiza la
apariencia tubular pulida de los mismos, proveniente de lminas metlicas en algunos
casos de madera o incluso tela cortadas para dar la forma curveada.
La implementacin de estos materiales representaba grandes problemas debido a
la exposicin a los elementos de la naturaleza, bien sea la lluvia, la humedad o el sol. El
deterioro progresivo debido al medio ambiente llev a los investigadores a buscar
nuevas alternativas constructivas. El desarrollo de las fibras polimricas con bases de
fibra de vidrio y de carbono ha representado la punta de lanza actualmente, ya que son
materiales que siendo ms livianos que los metales, resisten grandes esfuerzos
estructurales y no deterioran con el medio ambiente.
En la actualidad, el desarrollo sobre la geometra de las palas mejora
continuamente, gracias a los centros de investigacin donde se prueban geometras
definidas y se investigan nuevos modelos matemticos para su modelacin.
La produccin de energa de una mquina elica se basa en la extraccin de
energa del aire cuando ste se desplaza de un punto a otro, y en el camino, la mquina
extrae y transforma parte de esta energa cintica en forma de rotacin, por medio de
unos elementos diseados especficamente para esta tarea llamados alabes o palas del
aerogenerador.
Como se ha mencionado anteriormente, el aerogenerador est sometido
constantemente al medio ambiente, cosa que exige mucho a la mquina desde el punto
de vista de diseo, ya que debe estar configurada para resistir fluctuaciones del flujo,
vientos cruzados, o incluso, estar preparada para las peores condiciones ambientales. Se
hace referencia a este punto ya que las cargas aerodinmicas inducidas en los rotores de
estas mquinas son bastante grandes cuando el viento aumenta notablemente,
entendiendo por rotor a la pieza mecnica conformada por las palas y su soporte.
-
13
Inicialmente se pueden hacer estimados de las cargas tanto estticas como
dinmicas mediante el uso de las mediciones de viento promedio de la zona, de manera
de predecir una carga media a la cual se someter el aerogenerador. La importancia de
las mediciones a la hora de un emplazamiento ser explicada mas adelante ya que
conlleva la explicacin del recurso elico, y los principios de diseo de cada
componente del aerogenerador en detalle.
2.1.1 Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal
Debido a que el proyecto se basa en el diseo de un aerogenerador de eje
horizontal, se deben mencionar los componentes principales de este tipo de mquinas. A
continuacin en la figura 2.2, se presentan las partes principales de un aerogenerador y
su ubicacin en el mismo.
Figura 2.2: Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal.
-
14
A continuacin se describen las partes ms importantes de un HAWT.
labes o Palas: Son las estructuras ms importantes de la turbina, debido a ellas se trasmite eficientemente la energa cintica del viento al eje principal de
potencia. Debido a su perfil aerodinmico, crean zonas de baja y alta presin que
inducen fuerzas en la cara de la pala que da contra el viento. El diseo de esta
pieza involucra importantes variables aerodinmicas que sern explicadas
posteriormente. La pala determina las cargas que se transmiten a toda la
mquina.
Buje: Es la parte de la turbina a la cual van acopladas las palas. Gracias a esta pieza la energa cintica captada por las palas se transmite al eje principal de la
turbina para poder producir energa elctrica. El buje est sometido
constantemente a cargas aerodinmicas que se transmiten por las palas. El
diseo de esta pieza debe satisfacer condiciones extremas de viento entre otras
condiciones que sern explicadas ms adelante.
Multiplicador: Es simplemente una caja aumentadora de velocidad de giro que permite al aerogenerador lograr la velocidad de giro necesaria para acoplarse al
generador elctrico, debido a que el rotor gira a una velocidad mucho mas lenta
que la velocidad de giro requerida por el generador elctrico.
Eje de baja velocidad: es el eje principal que se acopla directamente al rotor del aerogenerador. Generalmente va acoplado a la caja aumentadora.
Eje de alta velocidad: se acopla directamente con el generador elctrico en caso de existir multiplicadora. Posee una velocidad elevada de giro debido a las
caractersticas de las mquinas elctricas generalmente utilizadas en los diseos
de gran potencia.
Gndola: es la pieza que sostiene todos los elementos de la turbina, que unida a la torre proporciona la proteccin de todas las partes de la misma ante los
elementos de la naturaleza.
-
15
Generador elctrico: es la mquina que genera la electricidad que va a alimentar una carga especfica o que puede conectarse a la red elctrica. Las innovaciones
continuas sobre generadores elctricos han revolucionado algunos diseos
particulares de aerogeneradores. Para efectos de ste proyecto se observar la
diferencia entre la utilizacin de diferentes tipos de generadores elctricos.
Torre: es la pieza estructural ms grande de toda la mquina. El asentamiento de la misma conlleva la aplicacin de la ingeniera civil debido a las fundaciones
necesarias que se utilizan y a otras razones estructurales. En las turbinas elicas
de eje horizontal la altura de la torre debe ser al menos lo suficientemente alta
para que la punta de las palas no pegue en el suelo. Una vez elevada la mquina,
es importante aprovechar el recurso elico eficientemente ya que las velocidades
de viento aumentan proporcionalmente en funcin de la altura respecto al suelo.
A medida que la torre es ms alta, los vientos sern ms veloces con condiciones
de flujo ptimas que permiten el buen desempeo de la misma.
2.1.2 Alternativas de Diseo.
Se presenta como resultado final dos alternativas de diseo de aerogenerador de
5kW. Concretamente se exponen dos mquinas perfectamente similares
conceptualmente, con geometras dismiles desde el punto de vista de diseo. En la
Universidad Simn Bolvar se lleva a cabo un proyecto independiente que consiste en la
adaptacin de una mquina de induccin a una mquina elctrica de imanes
permanentes, que permite la generacin de energa elctrica a velocidades especficas de
rotacin para el aerogenerador. En pro de la utilizacin de ste generador elctrico se
realizar un diseo especfico para adaptar esta mquina elctrica al aerogenerador de
5kW.
Adicionalmente, se ejecuta una segunda propuesta de diseo caracterizada por la
utilizacin de un generador elctrico de imanes permanentes producido por el fabricante
de origen coreano SEOYOUNG TECH. CO., LTD, Renewable Energy Devices, que
consta de excepcionales caractersticas para la generacin de energa.
-
16
2.2 Principios Tericos
2.2.1 El viento
Se genera por el movimiento de las masas de aire en dependencia a la irradiacin
solar y el movimiento de rotacin de la tierra. Como resultado se perciben las corrientes
de viento, siendo aprovechadas por los fabricantes de turbinas elicas. La ubicacin
geogrfica y las condiciones especficas de terreno determinan la intensidad del mismo.
En la figura 2.3 se observa de forma bastante simplificada las direcciones de los
vientos junto con las masas de aire fras y calientes que constantemente interactan
entre s.
Figura 2.3: Circulacin de los vientos a nivel mundial.
-
17
2.2.2 Estudio del fenmeno
Se toman las siguientes consideraciones para el desarrollo:
El aire se considera un fluido incompresible No se estudian las interacciones de un labe con otro No se toma en cuenta el flujo radial del aire por la pala
El viento es un fluido en movimiento que contiene energa. La energa del
mismo es proporcional a su velocidad. Si se observa la ecuacin de energa cintica a
continuacin:
2
21 mVEk = (2.1)
Donde:
m Es la masa que se encuentra en movimiento
V Es la velocidad a la que se mueve la masa.
Ek Es la energa cintica que contiene la masa en movimiento.
Se observa que la energa cintica es directamente proporcional a la masa y al
cuadrado de la velocidad segn la ecuacin Newtoniana de la fsica clsica. Debido a
que se quiere calcular la potencia que contiene el viento, se necesita la tasa de energa
en el tiempo. De manera que se denota el flujo msico del aire que pasa por el disco
actuante de la turbina (disco barrido por las palas al girar) de la siguiente manera:
AUdm = (2.2) Donde:
dm Es el flujo msico de aire que se encuentra en movimiento.
Es la densidad del aire .
U Es la velocidad del viento.
-
18
Se combinan las ecuaciones 2.1 y 2.2 a manera de obtener como resultado la tasa
de energa en el tiempo:
3AUPviento = (2.3)
El aspecto ms importante de la expresin 2.3 es que la potencia que se puede
extraer del viento es proporcional al cubo de la velocidad del mismo.
Cuando el aire atraviesa la turbina la energa que contiene se transforma en
energa de rotacin y se transmite al eje principal. Debido a la transformacin de
energa el aire pierde velocidad. El aerogenerador no puede aprovechar completamente
la energa presente en el viento, ya que existe una prdida aerodinmica en el proceso.
Si la mquina extrajese la totalidad de la energa del viento, este se frenara por completo
al cruzar el disco de barrido. Sin embargo este comportamiento es poco probable ya que
la masa de aire que se ubica en el disco en un momento determinado es impulsada por la
masa de aire subsiguiente, como el flujo de agua por un ro, que siempre se encuentra en
movimiento. Lo mismo ocurre en la fsica de estas mquinas, y para ilustrar el
comportamiento se puede observar la figura 2.4.
Figura 2.4: Viento a travs de un aerogenerador.
-
19
El viento inicialmente posee una velocidad V1. Cuando traspasa el disco
actuante se frena debido a la presencia de las palas, obteniendo una velocidad V2. La
velocidad de viento especfica en el lugar donde se ubica el rotor no corresponde a la
velocidad V1 ni V2. Si se utiliza la velocidad V1 o V2 para calcular la potencia del
viento se estara cometiendo una mala aproximacin. En consecuencia se realizan
operaciones matemticas para obtener el valor preciso.
Se observa un esquema de las velocidades del viento y las zonas de estudio
relevantes para el anlisis del comportamiento de la mquina. Ver figura 2.5.
Figura 2.5: Esquema de velocidades en el rotor. Se visualizan las zonas 1, 2,4 y 4 con sus
velocidades respectivas.
-
20
A partir de la figura 2.5 se aplica la conservacin del momento lineal al volumen
de control definido por las zonas 1 y 4, suponiendo que el flujo es constante en el
tiempo, incompresible y unidimensional. La expresin resulta de la siguiente manera:
4411 )()( AUUAUUT = (2.4) Donde
T Momento lineal
(AU)i Flujo msico en ambas posiciones
U1 Velocidad de viento inicial
U4 Velocidad de viento final
En estado estable, los flujos msico son iguales. Se asume que la cantidad de
masa antes y despus del rea de barrido es equivalente y se obtiene la siguiente
condicin:
41 )()( AUAU = (2.5)
Gracias a ste comportamiento terico resulta la siguiente expresin:
)( 41 UUdmT = (2.6)
Se entiende dm como el flujo msico en el tiempo.
Consecuentemente se aplica la ecuacin de Bernoulli entre los dos volmenes de
control implcitos en la figura 2.5, denotados como las zonas de 1 a 2, y de 3 a 4
respectivamente.
222
211 2
121 UpUp +=+ (2.7)
244
233 2
121 UpUp +=+ (2.8)
-
21
Se asume que las presiones aguas arriba y aguas abajo son iguales, de forma que
p1 es igual a p4. La velocidad en el disco se mantiene igual, siendo U2 igual a U3. Se
resuelve el sistema utilizando las ecuaciones (2.7) y (2.8) para escribir la ecuacin de la
conservacin de momento lineal de la siguiente manera:
)( 322 ppAT = (2.9)
Seguidamente se despeja (p2-p3) de las ecuaciones de Bernoulli (2.7) y (2.8),
para sustituirlas en la ecuacin (2.9) llegando a la siguiente expresin:
)(21 2
42
12 UUAT = (2.10)
Se igualan las ecuaciones del momento (2.7) y (2.8), tomando como flujo msico
el valor de A2U2. Obteniendo la siguiente expresin:
2)( 41
2UUU += (2.11)
De sta manera se evidencia tericamente el valor de la velocidad de viento
cuando atraviesa el disco de barrido de la turbina. Adicionalmente, se puede introducir
un parmetro adimensional importante a la hora de entender la aerodinmica de las
turbinas de viento, llamado el coeficiente de induccin axial, definido por la siguiente
expresin:
1
21
UUUa = (2.12)
El coeficiente de induccin axial proporciona una idea de cuanto se reduce la
velocidad del viento libre al atravesar la mquina.
-
22
Manipulando las ecuaciones anteriores se puede escribir los valores de U2 y U4
en funcin del coeficiente de induccin axial, dando como resultado las siguientes
expresiones:
)1(12 aUU = (2.13)
)21(14 aUU = (2.14)
Seguidamente se puede escribir la ecuacin de la potencia del aerogenerador en
funcin del coeficiente de induccin axial.
))((21)(
21
414122224
212 UUUUUAUUUAP +== (2.15)
Se sustituyen los valores de U4 y U2 de las expresiones (2.13) y (2.14)
obteniendo la expresin para la potencia de la turbina en funcin del coeficiente de
induccin axial de la siguiente manera:
23 )(421 aaaAUP = (2.16)
El resultado anterior es de suma importancia ya que permite introducir un nuevo
parmetro importante denominado coeficiente de potencia, el cual se denota de la
siguiente manera:
AUPCp
3
21 = (2.17)
-
23
Se caracteriza por el cociente entre la potencia mecnica del rotor entre la
potencia contenida en el viento, representando en cierta medida el rendimiento de la
turbina. De igual manera se puede escribir el coeficiente de potencia en funcin del
coeficiente de induccin axial:
2)1(4 aaCp = (2.18)
Derivando la expresin (2.18) en funcin de a e igualndola a cero, se puede
encontrar el valor de a para el cual el coeficiente de potencia es mximo, dando como
resultado a=1/3, por lo tanto:
5926.02716 ==mximoCp (2.19)
Esto implica que slo se puede extraer el 59,26% de la energa contenida en un
flujo de aire en movimiento. Esta condicin se conoce como el lmite de Betz [5]. Hoy
por hoy, las mejoras en los diseos de aerogeneradores permiten obtener valores de
coeficiente de potencia muy cercanos a este lmite terico. Se han realizado diversas
investigaciones sobre la capacidad de extraer energa del viento que superan el valor
lmite de Betz, sin embargo se toma como base la teora Betz a manera de adquirir
resultados conservadores. El coeficiente de potencia del aerogenerador se ve afectado
por el desempeo de sus componentes tanto elctricos como mecnicos, de los cuales se
hablar a detalle ms adelante.
Adicionalmente a los parmetros anteriormente citados, se puede determinar
otro parmetro adimensional que determina el comportamiento de la mquina,
denominado coeficiente de empuje. Se define como el cociente entre la fuerza que
ejerce la masa de viento incidente en el disco de barrido de las palas entre la fuerza
dinmica del viento. Observado la expresin a continuacin:
2
21 AU
TCT = (2.20)
-
24
Tomando en cuenta el valor de T en funcin del coeficiente de induccin axial:
))1(4(21 2
1 aaAUT = (2.21)
El valor terico de la ecuacin del coeficiente de empuje presenta un mximo de
1,0 cuando a equivale 0,5. El coeficiente de empuje CT equivale a 8/9 cuando el valor
de a es de 1/3. El comportamiento cuadrtico de la expresin 2.21 no resulta lgico a
partir de a=0,5. La expresin implica que el empuje disminuye a medida que se tenga
mayor resistencia al paso del flujo. En consecuencia es necesario analizar a detalle el
rango de valores vlidos que proporcionan las ecuaciones de CT. Graficando el
comportamiento de las ecuaciones de coeficiente de induccin axial y de coeficiente de
potencia resulta lo siguiente:
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Coeficiente de Induccin Axial
Mag
nitu
d
Coeficiente de EmpujeCoeficiente de Potencia
Grfico 2.1: Coeficiente de potencia y Coeficiente de empuje en funcin de a
La teora de Betz resulta vlida para el intervalo de valores de a desde 0 hasta
0,5. Para ilustrar el motivo de anlisis de la ecuacin, se puede tomar como ejemplo el
comportamiento del empuje que siente una pared de cara perpendicular al flujo de
viento, con el que sentira la misma pared si se ubicase de cara paralela al mismo flujo.
Lgicamente la pared de cara perpendicular siente ms empuje que la de la cara
paralela. En consecuencia se busc la necesidad de investigar sobre el fenmeno y
-
25
escribir las relaciones empricas que proporcionen el comportamiento ms adaptado a la
realidad.
2.3 Estudio del comportamiento de las ecuaciones
Se verificaron las ecuaciones utilizadas para el clculo de las variables
aerodinmicas presentes en el algoritmo de clculo desarrollado por los ingenieros
nombrados en el CAPTULO 1, de manera de optimizar y mejorar los aspectos
necesarios para poner a punto la metodologa de clculo.
2.3.1 Coeficiente de empuje vs. Induccin axial
Se estudia el comportamiento de diferentes ecuaciones que explican y modelan
las variaciones del valor del CT. Las ecuaciones que se analizan a continuacin tienen
diferentes consideraciones, unas ms antiguas que otras que no dejan de ser importantes
por su definicin cronolgica, sin embargo son necesarias para mejorar el algoritmo de
clculo.
La teora de Prandtl y Glauert describe el comportamiento del coeficiente de
empuje cuando el valor de a sobrepasa el valor de 0,5.
Es importante realizar el estudio del coeficiente de empuje ya que en base a
stos nmeros adimensionales se determina el rendimiento terico de la mquina. Se
debe controlar el empuje que ejerce el viento al pasar por el disco de barrido a manera
de no generar reacciones estructurales excesivas que carguen la mquina.
Adicionalmente existe un fenmeno que produce la reduccin de la eficiencia de la
turbina denominado como estela en rotacin. Este fenmeno le induce movimiento de
rotacin al flujo debido al giro del rotor, generando una estela que se aleja de la turbina
describiendo una hlice. El momento angular inducido en el flujo va determinado por
las velocidades angulares que se producen. Si el flujo de aire presenta un movimiento
rotativo antes de pasar por el rotor se produce una disminucin en la extraccin de
energa cintica del viento, y en consecuencia se producen prdidas de origen
aerodinmico. Las mquinas que poseen velocidades elevadas de rotacin presentan
-
26
menores prdidas por la rotacin de la estela que las mquinas que tienen velocidades
de rotacin menores.
Otro factor que puede afectar el coeficiente de empuje son las prdidas que
ocurren en las puntas de las palas, ya que en sta parte del labe se puede producir
desprendimiento de flujo.
En orden de encontrar el comportamiento ms adecuado del coeficiente de
empuje, se analizan las siguientes expresiones empricas que consideran los aspectos
anteriormente mencionados.
Ecuacin de Glauert sin prdidas en la punta:
6427,0)143,0(0203,0889,0
2= aCT (2.22)
Ecuacin de Glauert con prdidas en la punta:
6427,0)143,0(0203,0889,0
2= FaCT (2.23)
Ecuacin de Prandtl sin prdidas en la punta:
2
328,0
36,1 aaCT ++= (2.24)
Ecuacin de Prandtl con prdidas en la punta:
( 2328,0
36,1 FaFaCT ++= )
)
(2.25)
Ecuacin de David Espera con prdidas en la punta:
( aFCT += 6,004,04 (2.26)
-
27
Se grafican las expresiones anteriores para observar de forma visual su
comportamiento.
GRAFICO DE COEFICIENTE DE EMPUJE
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
a
Ct
Ecuacin 2.22 Ecuacin 2.24Ecuacin 2.23Ecuacin 2.25Terica de Betz
Grfico 2.2: Coeficiente de empuje en funcin de a para diferentes expresiones
El grfico 2.2 recrea el incremento que presenta el valor de CT a medida que
aumenta el coeficiente de induccin axial. La validez de la teora de Betz se limita hasta
el comienzo del dominio de las ecuaciones presentadas en el grfico. A simple vista se
observa la pequea diferencia de valores que arrojan las diferentes ecuaciones. En
principio la ecuacin de Glauert con prdidas en la punta se comporta de la forma ms
conservadora respecto a las dems relaciones, ya que arroja los valores ms pequeos
para mismos valores de a.
Seguidamente se observa el comportamiento especfico de las ecuaciones de
Glauert y Prandtl con prdidas en la punta respecto a la ecuacin terica de Betz
comparada con la relacin de David Spera [6]. Ver grfico 2.3.
-
28
Coeficiente de empuje con prdidas en la punta
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,800
2,000
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00
Coeficiente de induccin axial (a)
Ct
Ecuacin 2.23Ecuacin 2.26Terica de BetzEcuacin 2.25
Grfico 2.3: Coeficiente de empuje en funcin de a. Glauert, Spera, Prandtl
La relacin emprica de Prandtl se aproxima bastante a la ecuacin de Glauert
con prdidas en la punta. La relacin de David Spera presenta una desviacin
considerable respecto a valores iguales del coeficiente de induccin axial. Para efectos
de clculo, es recomendable utilizar la ecuacin de Glauert debido a que es la expresin
ms conservadora respecto a sus equivalentes.
2.3.2 Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad
La razn de velocidad se define como el cociente entre la velocidad lineal de la
punta de la pala entre la velocidad del viento de diseo. Se denota mediante la siguiente
expresin:
UR= (2.27)
Donde:
Razn de velocidad
Velocidad de giro de la turbina
R Distancia desde el centro del rotor a la punta de pala
-
29
Primordialmente la razn de velocidad indica cuan rpida es la velocidad de
rotacin de la turbina para una velocidad especfica de viento. En consecuencia se debe
elegir un valor que optimice todas las posibles condiciones aerodinmicas de la
mquina.
Las relaciones existentes que describen el comportamiento del coeficiente de
potencia dependen de la razn de velocidad, el nmero de palas, y el perfil
aerodinmico. Se originan en base a estudios empricos desarrollados en base al
comportamiento terico de aerogeneradores. A efectos del proyecto, se compararon dos
expresiones para evaluar su comportamiento. Se tiene en cuenta que la expresin 2.29
fue utilizada en los trabajos previos de energa elica mencionados en el CAPTULO 1,
y la ecuacin 2.28 fue tomada de una nueva fuente [7].
( )
+
++
=
BCCB
Cp
d
l
21
57,020832,1
2716 2
3/2
2
(2.28)
( )
+++
=d
l
CC
BB
BBCp
21
92,10025,004,048,1
593,02
267,0
67,0
(2.29)
Donde:
B Nmero de alabes
Cl Coeficiente de sustentacin
Cd Coeficiente de arrastre
Los coeficientes de sustentacin y arrastre son caractersticos del perfil
aerodinmico, de manera que para poder observar el comportamiento de las expresiones
2.28 y 2.29 fue necesario determinar unos valores hipotticos coherentes que
permitiesen la visualizacin de ambas ecuaciones.
-
30
Las grficas se construyeron para condiciones de Cl/Cd de 40, 60, 80, 100 y 120,
bajo una configuracin de tres labes arrojando las curvas presentes en el grfico a
continuacin.
Coeficiente de potencia
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Razn de velocidad
Cp
L/D=40 Ec. 2.28L/D=60 Ec. 2.28L/D=80 Ec. 2.28L/D=100 Ec. 2.28L/D=120 Ec. 2.28L/D=40 Ec. 2.29L/D=60 Ec. 2.29L/D=80 Ec. 2.29L/D=100 Ec. 2.29L/D=120 Ec. 2.29
Grfico 2.4: Coeficiente de potencia para diferentes condiciones de sustentacin y arrastre.
Observando el grafico 2.4, se nota claramente la desviacin de los valores del
coeficiente de potencia para condiciones iguales del perfil aerodinmico cuando el valor
de Cl/Cd es bajo. Para valores de Cl/Cd del orden de 40, la desviacin de ambas
ecuaciones es del 20%. Para cuando el cociente de Cl/Cd se encuentra en el orden de
120, la desviacin de ambas ecuaciones es mucho menor, alrededor del 10%
aproximadamente.
Se atribuye la diferencia de resultados a la configuracin de ambas ecuaciones.
Una de ellas se conforma en su mayora por fracciones, y la otra por nmeros
decimales. Matemticamente, una fraccin es ms exacta que un nmero decimal.
Aunque la ecuacin 2.29 arroje resultados ms conservadores que permiten no estimar
ms potencia de la que tericamente se produce, se toma la ecuacin 2.28 como
definitiva para el clculo del coeficiente de potencia, por estar definida de manera
fraccionaria.
-
31
2.4 Respecto a los fundamentos tericos utilizados para el desarrollo del algoritmo de
clculo utilizado en los trabajos previos de energa elica
Las consideraciones de clculo tomadas en los trabajos previos de energa elica
se utilizan en el proyecto. Siendo el mismo un aspecto desarrollado en los trabajos
previos de energa elica no se explicar a detalle su funcionamiento.
2.4.1 Respecto a la teora de momento de labe
Las expresiones a continuacin se caracterizan por el anlisis de un volumen de
control anular determinado por el ancho de un diferencial de radio dr basado en la
cantidad de movimiento lineal y angular. Se cuantifica la contribucin diferencial del
empuje y momento que produce una fraccin de la pala. Las ecuaciones toman en
cuenta el factor de la rotacin del flujo cuando se aleja del rotor.
En cuanto a la cantidad de movimiento lineal:
( ) draaUdT = 142 (2.31)
En cuanto a la cantidad de movimiento angular:
( ) drrUaapdQ = 314 (2.32)
Donde representa la velocidad de rotacin del flujo, ms no la del rotor de la
turbina.
El valor de ap corresponde al coeficiente de induccin angular. Representa
adimensionalmente la porcin de flujo al cual se le induce rotacin al pasar por el disco
actuante de la turbina.
-
32
2.4.2 Respecto a la teora de elemento de alabe
Las fuerzas que siente la turbina pueden ser expresadas en funcin de los
coeficientes de sustentacin y arrastre y el ngulo de ataque. El anlisis se basa en la
subdivisin de N elementos o secciones a lo largo de la pala.
En esta teora se asume:
No existe interaccin aerodinmica entre los elementos
Las fuerzas en los perfiles aerodinmicos son producidas solamente por las caractersticas de sustentacin y arrastre de la forma del perfil.
En cuanto a la teora de elemento de alabe:
( drcCCWBdFa dl += sincos21 2 ) (2.33)
( ) drrcCCWBdQ dl += cossin21 2 (2.34)
Donde:
W2 Velocidad relativa del viento al cuadrado
Angulo de ataque
c Cuerda del perfil
-
33
2.5 Consideraciones bsicas de perfiles aerodinmicos
Los perfiles aerodinmicos son geometras planas que al desplazarse a travs del
aire generan una distribucin de presiones que producen sustentacin y arrastre. La
sustentacin se define como la fuerza generada sobre un cuerpo que atraviesa un flujo
de aire en direccin perpendicular respecto a la direccin del flujo incidente. El arrastre
es la fuerza generada sobre un cuerpo que atraviesa un flujo de aire en direccin al flujo
incidente que trata de llevarlo con l.
2.5.1 Funcionamiento bsico de los perfiles
Las fuerzas principales generadas se conocen como fuerza de sustentacin y
fuerza de arrastre. Observando la figura a continuacin se aprecia el fenmeno de
sustentacin debido a un perfil aerodinmico.
Fa
Figura 2.6: Perfil aerodinmico.
La fuerza de sustentacin resultante debido a la distribucin de presiones se
denota en la figura 2.6 con la letra F, y la fuerza de arrastre como Fa. Generalmente se
busca que los perfiles generen ms sustentacin que arrastre. Adicionalmente se define
como cuerda del perfil a la longitud del mismo. En el proyecto se enfoca el
comportamiento especfico de los perfiles aerodinmicos en aplicaciones de turbinas
elicas. A continuacin se puede observar como se comporta el flujo de aire a travs del
perfil de la pala y las fuerzas generadas.
-
34
2.5.2 Tringulo de velocidades y reacciones relevantes.
A continuacin se observa la configuracin de las fuerzas y velocidades
presentes en el perfil aerodinmico de la pala de un aerogenerador.
Figura 2.7: Tringulo de velocidades en el perfil.
Resaltado en rojo:
Tringulo de velocidades donde:
V Velocidad de viento en el rotor
W Velocidad relativa del viento en el perfil
Vtang Velocidad tangencial del rotor
Resaltado en azul:
Fuerzas aerodinmicas resultantes en el perfil donde:
dS Diferencial de fuerza de sustentacin
dA Diferencial de fuerza de arrastre
dF Diferencial de fuerza resultante
Resaltado en verde:
Configuracin de fuerzas transmitidas al rotor de la turbina:
dFu Diferencial de fuerza til
dFa Diferencial de fuerza axial
-
35
2.6 Algoritmo de clculo
2.6.1 Consideraciones respecto al proceso de clculo
La integracin de ambas teoras (elemento y momento de labe) y la creacin del
algoritmo fue lo que se realiz en los trabajos previos de energa elica mencionados en
el CAPTULO 1. En este proyecto slo se analizaron las ecuaciones anteriormente
citadas para mejorar el proceso de clculo y desarrollar otras metodologas que pudiesen
simplificar el cmputo del algoritmo. La estructura del algoritmo modificado y
mejorado se puede observar en los anexos del trabajo.
2.6.2 Configuracin general del algoritmo de clculo
El funcionamiento bsico del algoritmo base se presenta a continuacin.
1. Se introducen las variables de entrada:
Potencia necesaria, diferencial de elementos de alabe, error
permisible, densidad del aire, viscosidad del aire, velocidad de
diseo, radio base de la pala, razn de velocidad, perfil
aerodinmico, nmero de palas.
2. Se fijan los valores de las variables dinmicas en valor nulo para que a medida
de las iteraciones se sumen los diferenciales de fuerzas y momentos.
Fuerza til de pala =0
Fuerza axial =0
Momento til =0
Momento axial =0
3. Se definen los valores de U y razn de velocidad
4. Se fija como valor semilla el coeficiente de induccin axial en a = 0,2
-
36
5. Se calcula el valor de coeficiente de induccin rotacional, velocidad del viento
en el rotor, ngulo de incidencia, cuerda, factor de prdida en la punta,
coeficiente de empuje y a*.
6. Se verifica el error existente entre a y a* por la siguiente expresin
max* aa 7. No se cumple la condicin anterior
a = a*
Se regresa al punto 4
8. Si se cumple la condicin anterior
9. Se calculan los diferenciales de fuerza til, diferenciales de fuerza axial,
diferenciales de momento til, diferenciales de momento axial y nmero de
Reynolds.
10. Se actualizan los valores de la siguiente manera:
dMaMaMadMMMdFaFaFadFuFuFu
+=+=+=+=
11. Se procede a calcular el prximo elemento de alabe por la expresin:
RrdRrr
+=
12. Si no se cumple la condicin anterior, se regresa al punto 3
13. Si se cumple la condicin anterior
14. Se calcula la potencia y el coeficiente de potencia
FIN
-
37
CAPTULO 3
3. Aspectos modificados del algoritmo de clculo y metodologa de diseo
Para comenzar el diseo del aerogenerador se define la metodologa de diseo
en base al algoritmo de clculo mejorado.
3.1 Modificaciones al algoritmo de clculo
Los aspectos ms importantes respecto a la puesta a punto del algoritmo de
clculo fueron los siguientes.
Se cambi la ecuacin del coeficiente de potencia de manera de tener un resultado ms exacto debido a consideracin de la estructura de la ecuacin 2.29.
Se analiz el comportamiento de las ecuaciones del coeficiente de empuje, coeficiente de induccin axial para modificarla si fuese el caso. Sin embargo las
ecuaciones utilizadas se comportan excelentemente y no se modifico la ecuacin
2.23 respecto al coeficiente de empuje.
Se elimin todo el clculo referente a la masa de las palas debido a la incorporacin de programas computacionales destinados a esta tarea.
Se implementaron variables fijas como la velocidad de giro de la turbina y el radio de las palas, para estimar las reacciones estructurales pertinentes cuando
los sistemas de control se activan y permitir el anlisis de variables
aerodinmicas que determinan el diseo aerodinmico y mecnico.
Se valid el desempeo de las ecuaciones utilizadas para la generacin de la geometra de pala con teoras similares. Sin embargo el comportamiento del
algoritmo realizado con los cambios pertinentes fue excelente.
-
38
3.2 Metodologa de diseo utilizada.
Con el algoritmo de clculo optimizado, se comienza con el proceso de diseo.
El diseo del aerogenerador se puede dividir en dos fases. La primera se refiere al
diseo aerodinmico y la segunda al diseo mecnico de los componentes.
3.2.1 Metodologa de diseo aerodinmico
El diseo aerodinmico se corresponde principalmente en desarrollo de la
geometra de la pala para las condiciones especficas de funcionamiento definidas por el
diseador.
El proceso se caracteriza por realizar estimaciones iniciales de todas las
variables aerodinmicas en base al algoritmo de clculo. El algoritmo arroja resultados
para las condiciones iniciales introducidas. Seguidamente se analizan las primeras
estimaciones o iteraciones, a manera de afinar los resultados en base a los criterios de
diseo. El proceso de clculo permite generar la geometra de la pala de forma rpida y
sencilla, sin embargo el problema radica en analizar las variables pertinentes para la
concepcin de un buen diseo.
3.2.2 Metodologa de diseo mecnico
El diseo mecnico se define como la creacin y seleccin de todas las piezas
mecnicas necesarias para que la mquina funcione a cabalidad. Adicionalmente se
estiman los materiales a utilizar.
Similarmente al proceso de diseo aerodinmico, se utiliza el algoritmo de
clculo para estimar las cargas aerodinmicas que se generan en el rotor y que se
transmiten a toda la estructura.
Gracias al proceso iterativo y a la utilizacin de las variables fijas en el proceso
de clculo, se pueden estimar todas las fuerzas para condiciones especficas de
funcionamiento.
-
39
Las piezas mecnicas deben resistir tanto las cargas estticas como las cclicas.
Por medio del algoritmo de clculo se cuantifican todas ellas y luego se procede al
modelado de las piezas en los programas computacionales. Seguidamente se verifica la
resistencia de los materiales de las piezas y finalmente se estima su desempeo a fatiga
dependiendo de la exigencia a la cual se somete la pieza.
-
40
CAPTULO 4
4. Diseo aerodinmico
4.1 Consideraciones iniciales sobre diseo aerodinmico
El diseo aerodinmico de una turbina elica se resume bsicamente en
desarrollar la geometra de la pala. Para definir su forma deben ser tomadas en cuenta
consideraciones aerodinmicas junto con consideraciones estructurales que le
proporcionen resistencia y confiabilidad a la pala en condiciones de alta exigencia de
carga.
Entre las consideraciones aerodinmicas se encuentran las siguientes:
4.2 Potencia nominal respecto al radio de pala.
La potencia nominal de la turbina afecta proporcionalmente a la longitud de
pala. La ecuacin que determina el radio de pala en funcin de la potencia requerida es
la siguiente:
omximo
necesaria rCpU
PotR += 3
2 (4.1)
Donde:
R Radio del centro del rotor a la punta de pala
Potnecesaria Potencia nominal necesaria a generar
Cpmximo Coeficiente de potencia mximo
ro Radio base
A medida que se requiere mayor potencia, la pala deber ser ms grande para
captar la mayor energa posible. Debido a que las dimensiones de la misma estn
limitadas por razones estructurales, no se debe fijar un valor de radio de pala tomando
-
41
en cuenta nicamente los requerimientos de potencia, ya que el radio de pala determina
una serie de comportamientos aerodinmicos que sern analizados ms adelante, sin
embargo la potencia nominal de la mquina se fija en 5 kW.
4.3 Nmero de palas, razn de velocidad y coeficiente de potencia
4.3.1 Nmero de palas
Las mquinas mono pala o de una sola pala, son mquinas que giran a
velocidades elevadas con coeficientes de potencia elevados, debido a sus altos valores
de razn de velocidad. Estas mquinas son tericamente muy eficientes pero
estructuralmente, proporcionan innumerables problemas de balanceo y vibraciones que
en el tiempo destruyen la mquina o en otro caso, elevan los costos de mantenimiento.
La mquina de tres palas proporciona un balanceo perfecto debido a que cada
pala se encuentra a 120 respecto a otra. Cuando la pala pasa por la sombra de la torre
se manifiesta una distribucin desigual de las fuerzas sobre la misma que producen
vibraciones. A medida que aumenta el nmero de palas las vibraciones producidas por
este fenmeno se mitigan.
El Cp es afectado por la cantidad de palas que presente el aerogenerador ya que
no es lo mismo captar toda la energa cintica del viento en una sola pala, que captarla
en un arreglo de muchas palas. Cada una proporciona una fraccin de empuje til que
determina el torque o par que entregar la turbina. Un gran nmero de palas genera
reacciones estructurales importantes gracias al empuje que ejerce el viento sobre el
disco actuante de la turbina, lo cual es negativo debido a las reacciones que se generan.
Como parmetro de diseo, se fija que el aerogenerador conste de 3 palas para
disminuir los problemas de balanceo y vibraciones. Una vez con el nmero de palas
definido, es necesario determinar un valor especfico de razn de velocidad.
-
42
4.3.2 Razn de velocidad y Coeficiente de potencia
Recordando la expresin 2.27, se observa que condiciona la velocidad de giro
de la turbina en su condicin nominal y fuera de ella. Adicionalmente determina el
coeficiente de potencia de la mquina, de manera que es necesario determinar un valor
especfico para una condicin de operacin.
Las mquinas con razones de velocidad bajas generalmente constan de
coeficientes de potencia bajos. A medida que aumenta el valor tambin lo hace la
velocidad de giro de la turbina.
En el grfico 4.1 se observa el comportamiento del coeficiente de potencia en
funcin de la razn de velocidad. Se observa que el mximo Cp no se ubica para los
valores mayores de . La grfica corresponde al comportamiento de la ecuacin 2.29
para la condicin de tres alabes y para un cociente de coeficiente de sustentacin entre
coeficiente de arrastre de 90.
Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2
Razn de velocidad
Cp
0
Grfico 4.1: Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad.
-
43
Se observa un mximo para valores de razn de velocidad cercanos a 8. Es
importante seleccionar un valor relativamente alto de , debido a que la turbina gira ms
rpido y la extraccin de energa se magnifica, reduciendo proporcionalmente el tamao
de las palas, lo cual representa una disminucin en peso y costos de materiales. En
segundo lugar, a mayores velocidades de giro el torque se reduce proporcionando una
disminucin de elementos robustos que soporten grandes cargas, especficamente los
ejes principales de las turbinas y sus soportes respectivos, sean chumaceras o
rodamientos.
4.4 Velocidad de viento de diseo
Es uno de los valores ms importantes a definir a la hora de disear una turbina
de viento. En primer lugar debe entenderse que el recurso elico es una fuente de
energa variable. Las variaciones de los valores de velocidad de viento dependen de la
poca del ao, las estaciones, las condiciones del relieve, el da y noche, la altura, las
horas del da del lugar o emplazamiento.
Se puede complementar que existen zonas que son mucho ms ventosas que
otras, y su potencial debe ser estudiado a profundidad antes de emplazar una mquina
elica. Es posible encontrar de igual manera, lugares que en tiempos pasados fueron
ventosos pero actualmente han reducido su potencial o viceversa. Debido a esto es
importante comparar las velocidades de viento de un emplazamiento respecto a su
historia y sus promedios a lo largo de los aos, para hacer pronsticos y estimar la
rentabilidad de la mquina en un lugar especfico.
La velocidad de viento de diseo representa el punto nominal de la turbina junto
con una cantidad de consecuencias estructurales que afectarn a todos sus componentes
mecnicos y elctricos. Debido a esto su definicin debe ser certera y precisa.
-
44
4.4.1 Velocidades de viento promedio
Inicialmente, la velocidad de viento de diseo se determina por el lugar donde se
espera colocar la turbina. En Venezuela, las zonas ms ventosas se ubican en las costas
del pas. Con el conocimiento de las velocidades de viento promedio de cada lugar se
estiman los valores iniciales tentativos.
La recopilacin de la data de viento de diferentes lugares es responsabilidad
principal de los organismos meteorolgicos que pronostican y guardan los datos para
una futura aplicacin cientfica. Cada pas u organizacin que est interesado en
desarrollar energa elica, debe tomar en cuenta la importancia de la medicin del
recurso elico. A efectos del proyecto se aprovecha la tecnologa extranjera proveniente
de una pgina de Internet llamada www.windfinder.com, que proporciona registros de
data de viento medidos con anemmetros ubicados en la localidad de inters. Gracias a
esta facilidad, se puede estimar los promedios mensuales de las velocidades de viento de
los lugares de inters.
Tabla 4.1: Velocidades de viento promedio mensual en Paraguan.
Meses Probabilidad % Velocidad Promedio Mensual
(m/s) 1 77 9 2 86 10 3 90 11 4 83 9 5 81 10 6 90 10 7 87 10 8 81 9 9 65 8 10 53 7 11 59 8 12 76 8
Velocidad promedio anual 9.1
La data anterior se basa en observaciones tomadas entre marzo de 2002 y abril
de 2007 diariamente desde las 7 a.m. a 7 p.m. en tiempo local.
-
45
Tabla 4.2: Velocidad de viento promedio mensual en El Yaque, Isla de Margarita
Meses Probabilidad % Velocidad Promedio Mensual
(m/s) 1 70 7 2 75 7 3 85 8 4 87 8 5 83 7 6 84 7 7 67 6 8 65 6 9 63 6 10 62 6 11 69 6 12 72 7
Velocidad promedio anual 6.75
La data presente en la tabla 4.2 se basa en observaciones tomadas entre
noviembre del 2000 y abril de 2007 desde las 7 a.m. a 7 p.m. en tiempo local
Se puede decir que la velocidad de diseo de la turbina debera estar cerca de los
valores promedio del lugar donde se espera ubicar pero debido a las consideraciones
variab