UNIVERSIDAD NACIONAL DE JULIACA ES CUELA ACADEMICO PROFECIONAL DE INGENI ERIA EN ENERG IAS RENOVABLES
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UNA AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL PRESENTADO POR:
Calapuja Condori, Jhosep Elmo
Contreras Chuquitarqui, Flavio Cesar
Zapana Morocco, Yeltsin Daniel
Quiñones Puma, Frank Alexis Choque Calcina, Dalthon Valentin
Ortiz Quispe, Edwin Jose
Valero Quispe, Abi gail Vanesa
Vilca Contreras, Luisa Marina
Juliaca - 2016
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INDICE INTRODUCCION ..................... ......................... ......................... ..................... ......................... ... 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................... ......................... ........................ .................. 2 OBJETIVOS ..................... ......................... ......................... ...................... ......................... ........... 2 JUSTIFICACION ................... ........................ ......................... ..................... ......................... ....... 3 METODOLOGIA ................... ........................ ......................... ..................... ......................... ....... 3 MARCO CONCEPTUAL ................... ......................... ......................... ..................... .................... 6 1.1 Energía eólica ................... ......................... ......................... ..................... ......................... ... 6 1.1.1 Ventajas de la energía eólica.................... ......................... ......................... ..................... 6 1.1.2 Desventajas de la energía eólica
................... ......................... ......................... ................. 6
1.2 Tipos de aerogeneradores................... ......................... ........................ ...................... ............ 6 1.2.1 Eje horizontal ..................... ......................... ......................... ..................... .................... 6 1.2.2 Eje vertical ..................... ......................... ......................... ..................... ........................
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1.3 Clasificación de los aerogeneradores...................... ......................... ........................ ............ 11 1.4 Componentes de un aerogenerador..................... ......................... ........................ ................ 1.5 Modelos energía eólica
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...................... ......................... ........................ ...................... .......... 13
1.5.1 el viento y su energía.................. ......................... ........................ ...................... .......... 13 1.5.2 Teorema De Betz .................... ......................... ......................... ..................... .............. 15 1.6 Conversión de la energía eólica en energía eléctrica..................... ........................ ................. 18 1.6.1 Generadores eólicos de velocidad constante...................... ........................ .....................
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1.6.2 Generadores eólicos de velocidad variable.................... ......................... ........................
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CÁLCULO Y DIMENSIONAMIENTO DEL AEROGENERADOR .................... .........................
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2.1 Velocidad de diseño...................... ......................... ........................ ...................... .............. 22 2.2 potencia nominal ................... ......................... ......................... ..................... ......................
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2.3 Diseño del rotor .................... ......................... ........................ ...................... ......................
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2.4 Diseño de los alabes...................... ......................... ........................ ...................... .............. 27 2.5 Determinación de la velocidad de rotación ...................... ........................ ......................... .... 29 2.6 Eje Principal ..................... ......................... ......................... ..................... ......................... . 30 2.7 Calculo de los rodamientos y de la estructura de sujeción.................... ......................... ........ 32 2.8 Selección de la transmisión .................... ......................... ......................... ..................... ...... 32 2.9 Diseño del generador..................... ......................... ........................ ...................... .............. 33 2.9.1 Modificación del rotor..................... ......................... ......................... ..................... ...... 35 2.9.2 Diseño y construcción del estator..................... ......................... ........................ ............ 36 BIBLIOGRAFIA ................... ......................... ......................... ..................... ......................... ..... 40 ANEXOS PLANOS 2
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INTRODUCCION El aprovechamiento de la energía eólica constituye una fuente de energía sumamente atractiva y ventajosa, no solamente para viviendas, sino para la economía de un país en general. Esto debido a que no presenta un costo de adquisición de la misma y puede ser aprovechada directa e indirectamente. Las posibilidades de utilización van en aumento, debido a los fuertes aumentos en los precios de la energía primaria para la producción de energía eléctrica; el cual es necesario para necesidades básicas como alumbrado y funcio namiento de aparatos eléctricos y electrónicos. La energía eólica es una energía limpia que no emite gases contamin a ntes, ni es perjudicial para el medio ambiente y puede ser utilizado libremente por todo aquel que desee hacer uso de la misma, siempre teniendo en cuenta elimpacto ambiental que pueda generar esta al instalarse un aerogenerador. El presente proyecto de investigación, tiene como objetivo la producción de electricidad usando un aerogenerador de eje vertical de baja potencia; el cual será diseñado y construido, para que pueda ser implementado en una vivienda que este ubicado el sector rural o urbano de la región de Puno.. Esta investigación se ha desarrollado por medio del método científico, el cual se compone de las siguientes etapas:
Planteamiento del problema
Formulación de los objetivos
Metodología
Análisis de resultados y conclusiones
Este documento está dividido en seis capítulos. La primera parte del documento es la introducción y contiene la motivación del proyecto, al problemática alrededor del tema de investigación, los objetivos, los benefic ios del proyecto y la metodología empleada.
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El capítulo 1 contiene el marco conceptual con el cual se busca contextualizar al lector sobre los diferentes temas de la investigación. El capítulo 2 contiene los cálculos para obtener el diseño del aerogenerador de eje vertical. El capítulo 4 contiene la etapa de diseño e implementación del aerogenerador de eje vertical y
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La disponibilidad de energía eléctrica es esencial para una vivienda que este ubicada en el sector rural o urbano de la región de Puno; siendo necesario para necesidades básicas como alumbrado y funcionamiento de aparatos eléctricos y electrónicos, además estos aparatos, especialmente los de última tecnología consumen muy poca energía (Leeds), es decir, son más eficie nte s; Existiendo una correlación entre el desarrollo social y el consumo de energía – eficiencia energética; se plantea la pregunta: ¿Es posible diseñar y construir un aerogenerador de eje vertical de baja potencia para la región de Puno, como una alternativa para la generación de energía eléctrica para una vivienda?
OBJETIVOS Objetivo General Diseñar y construir un aerogenerador de eje vertical de baja potencia para su implementación en una vivienda rural o urbana, ubicada en cualquier punto de la región de Puno.
Objetivos Específicos Aprovechar la energí a eólica para la generación de energía eléctrica y con esta satisfacer
la demanda de energía necesaria para una vivienda.
Disponer de un diseño de un aerogenerador de eje vertical de baja potencia que cumpla requisitos básicos de diseño mecánico.
Construir un aerogenerador de eje vertical de baja potencia, utilizando materiales disponibles en el mercado local.
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Evaluar el desempeño del aerogenerador teniendo en cuenta ol s resultados esperados y los resultados obtenidos.
JUSTIFICACION Se desea construir un aerogenerador de eje vertical de baja potencia para suplir la demanda energética de una vivienda rural o urbana, ubicada en cualquier punto de la región de Puno , este tipo de aerogenerador trae varias ventajas como aprovecham iento de los recursos naturales, bajo costo de mantenimiento, no necesita orientación al viento. El uso de estos pequeños aerogeneradores e una alternativa para la generación de energía eléctrica en zonas rurales y urbanas. La generación de la energía eléctrica será puntual y no tendrá desplazamie ntos y su impacto en el paisaje es mínimo, de manera que se logra una tecnología que vista holísticamente abarca la parte económica, ambiental y de necesidades básicas del lugar puntual de desarrollo.
METODOLOGIA A continuación se presenta al metodología que se propuso para el desarrollo del proyecto de investigación.
De finir el problema: plante ar e l problema que s e des e a solucionar
Definir el tema de investigación.
Ubicar el tema en el contexto: tiempo,espacio y concepto.
Delimitar el proyecto: ¿Qué aspectos dediseño van a tratar?
Definir el objetivo general y los objetivos específicos del proyecto.
Justificar la realización del proyecto: ¿Por qué es importante el estudio? ¿Qué información aportará? ¿A quiénes beneficia? ¿Qué utilidad tendrá? ¿Qué problemas podría resolver?
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Planteamiento de la metodología: ¿Cómo se cumplirán los objetivos planteados?
Re colección de información Es necesario realizar una revisión documental (publicaciones técnicas, bases de datos,
patentes, bibliografías de apoyo) que permita conocer a fondo el tema, para poder hacer un balance y tener claridad sobre que se ha investigado y sobre que no. Revisar el estado del arte de los aerogeneradores verticale s que se han realizado en el
mundo y en Colombia.
Generar alternativas de solución: lluvia de ideas Seleccionar la mejor alternativa Se evalúan cada una de las soluciones que surgieron de la lluvia de ideas para escoger
la mejor solución(viable y factible).
Diseño detallado Diseño mecánico
Diseñar los componentes del aerogenerador vertical
Realizar el CAD del aerogenerador
Seleccionar el material de cada componente
Dise ño ele ctrónico
Seleccionar el generador adecuado y los componentes necesarios para la producción de
la energía eléctrica. Dise ño de l s oftware
Desarrollar la interfaz de usuario para la visualización de los datos sensados.
Manufactura y ensamble
Construir las partes que conforman el aerogenerador y mecanizar las piezas que sean necesarias.
Ensamblar el aerogenerador.
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Pruebas finales y anális is de resultados: realizarán las pruebaspertinentes, corroborando que se cumplan los objetivos del proyecto
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CAPITULO I M ARCO CONCEPTUAL 1.1 Energía eólica Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas útiles para las actividades humanas (Consejo de Energías Renovables, 2013). La energía eólica es la energía obtenida del viento. Es uno de los recursos energéticosmás antiguos explotados por el ser humano y es a día de hoy la energía más madura y eficiente de todas las energías renovables.
El térmico eólico proviene del latín “aeolic us ”,
perteneciente o relativo a Eolo, Dios de los vientos en la mitología griega.
1.1.1 Ventajas de la energía eólica Las principales ventajas de la energía eólica (Villarubia López, 2012):
No emite gases contaminantes, ni efluentes líquidos, ni residuos sólidos, tampoco utiliza agua.
Reduce emisiones de CO2
No requiere minería de extracción subterránea o a cielo abierto
Ahorra combustibles, diversifica el suministro y reduce la dependencia energética.
1.1.2 De sve ntajas de la energía e ólica Algunas desventajas de la energía eólica son:
El viento es aleatorio y variable, tanto en velocidad como en dirección.
Tiene un m i pacto ambiental sobre la fauna, en particular sobre las aves.
1.2 Tipos de aerogeneradores Según la disposicióndel eje degiro:
1.2.1 Eje horizontal Su principal característica es que su eje de rotación se encuentra en paralelo al suelo y a la dirección del viento (Tosatado, 2008). Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante
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una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores o moto reductores (Antezana Nuñez, 2004)
Figura 1: A erogenerador Onsho re de tres palas d e eje horizontal eco 100
1.2.2 Eje vertical Su principal característica es que su eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo, tienen la capacidad de adaptarse a cualquier dirección de la corriente de viento por lo que también se les conoce como “Panemonos ” que quiere decir todos lo
s vientos, lo que elimina los mecanismos de orientación. A excepción del rotor Darrieus, los aerogenerado res de eje vertical operan con vientos de baja velocidad (200 RPM). Este mecanismo trabaja por la diferencia de arrastre entre las dos mitades de la sección expuesta al viento. Se emplean para generar potencias que van de los 200 W a los 4MW (Antezana Nuñez, 2004). Unas de las grandes ventajas que tienen este tipo de aerogeneradores son (Fernández Muerza, 2010):
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No necesitan grandes inversiones porque sus dimensiones pueden ser pequeñas y no exigen una torre potente oequipamientos como los de eje horizontal. Su instalación y mantenimiento es sencillo, y se pueden ubicar en cualquier lugar, tanto en el suelo como en un tejado o azotea.
Aprovechan mejor los vientos turbule ntos y de baja altura, así como las irregularidades del terreno, que incrementan la velocidad del viento. Los edificios lo re direccionan hacia arriba y pueden llegar a doblar su velocidad, la cual turbina aprovecha.
Funcionan de manera silenciosa, algo indispensable en lugares habitados, tanto urbanos como rurales. A diferencia de los de eje horizontal, se ponen en marcha con pequeñas velocidades del viento y son más resistentes a los vientos fuertes.
Su alineación vertical recibe al viento desde cualquier dirección, y por tanto, no requieren ningún sistema de alineamiento del aerogenerador, como los de eje horizontal.
Aspectos Ambientales: La producción de un KWh por medio de sistemas aerogeneradores genera un impa cto ambiental: a. 4 veces menor que con gas natural . b. 10 veces menor que con plantas nucleares. c. 20 veces menor que con carbón o petróleo. Debido a que el proceso no genera residuos peligrosos (RESPEL) ni en su producto hay emisión de gases invernadero como CO2. A diferencia de los grandes aerogeneradores que se encuentran en los parques eólicos, el impacto en la flora y fauna de la región de este tipo de aerogenerad ores domésticos es mínimo, ya que son de baja dimensión. (ICONTEC, GTC 172. Energía Eólica. Guia para Generación de Energía Eléctrica, 2008).
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1.2.2.1 Savonius El modelo del rotor Savonius es el más simple. Consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual sus dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una S (Figura 2); las partes cóncavas de la S captan el viento, mientras que los reversos presentan una menor resistencia al viento, por lo que giraran en el sentido que menos resistencia ofrezcan. Este sistema tiene el inconveniente de presentar una sobrepresión en elinterior de las zonas cóncavas al no poder salir el aire, perjudicando el rendimie nto; el sistema queda mejorado separando ambas palas y dejando un hueco entre ambas para queexista un flujo de aire.
Figura 2: Rotor Savonius
Debido a la resistencia al aire de este tipo de rotor, solo puede ser utilizado a bajas velocidades. Las mejores aplicaciones para este tipo de rotor son de tipo mecánico, como el bombeo de agua (Antezana Nuñez, 2004).
1.2.2.2 Darrieus Este modelo es el más popular de los aerogeneradores de eje vertical. Es creado para evit ar la construcción de hélices sofisticadas como las usadas en los aerogeneradores de eje horizontal. Permite mayores velocidades que las del rotor Savonius. Consta de unas finas palas con of rma de ala de avió n simétricas, que están unidas al eje solo por los dos extremos, con una curva especial diseñada para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje, alposeer una forma parecida a una cuerda para saltar, hace que los alerones experimenten una fuerte fuerza centrífuga.
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Figura 3: Rotor Darrieus Este tipo de rotor no puede arrancar por sí mismo, se debe usar un sistema de arranque secundario, pero una vez en marcha es capaz de mantenerse gracias a la aerodinámica de sus palas (Antezana Nuñez, 2004).
1.2.2.3 Darrieus tipo H o Giromill Estas turbinas tienen alerones vertical es de eje recto, ol s alerones están orientados mecánicamente con el fin de cambiar el ángulo de ataque tal como se ve en la Figura 4.
Figura 1.4 Rotor girromill4
1.2.2.4 Prototipo Windside Son más eficientes que las turbinas normales, pueden operar con vientos bajos desde 1m/s. están construida para trabajar en condiciones extremas.
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Figura 5: Prototipo Windside 5
1.3 Clasificación de los aerogeneradores Según potencia suministrada:
1.3.1 Equipos de baja potencia: Históricamente son los asociados a utilización mecánica como bombeo del agua, proporcionan potencias alrededor del rango de 50 KW, aunque pueden utilizarse varios equipos adyacentes para aumentar la potencia total suministrada. Hoy en día siguen utilizándose como fuente de energía para sistemas mecánicos o como suministro de energía en equipos aislados. También se utilizan en grupo y junto con sistemas de respaldo como motores de gasolina para suministro de energía de zonas rurales o edificios, ya sea conectándose a red o con bacterias para almacenar la energía producida y garantizar la continuidad de la cobertura energética.
1.3.2 Equipos de media potencia: Son los que se encuentran en el rango de producción de energía de 150 KW. Son utilizados de forma similar a los equipos de baja potencia pero para mayores requerimie ntos
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energéticos. No suelen estar conectados a baterías de al macenamiento, por lo que se utilizan conectados a red o junto con sistemas de respaldo.
1.3.3 Equipos de alta potencia: Son los utilizados para producción de energía de forma comercial, aparecen conectados a red y en grupos conformando centrales Eolo eléctricas, ya sea en tierra como en entorno marino (offshore). Su producción llega hasta el orden del gigavatio. El diseño elegido mayoritariamente para estos equipos son los aerogeneradores de eje horizontal tripalas, orientados a barlovento y con torre tubular.
1.4 Componentes de un aerogenerador Un aerogenerador tiene varios componentes que se pueden observar en la figura 6 y son los siguientes:
Góndola: carcasa que protege las partes undamentales f del aerogenerador.
Palas del rotor: transmiten la potencia del viento hacia el buje.
Buje: parte que une las palas del rotor con el eje de baja velocidad.
Eje de baja velocidad:conecta el buje del rotor al multiplicador.
Multiplicador: permite que el eje de alta velocidad gire mucho más rápido que el eje de baja velocidad.
Eje de alta velocidad:gira a gran velocidad, permitiendo el funcio namiento del generador eléctrico.
Generador eléctrico: transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
Controladores electrónicos:monitorizan las condiciones de viento y controlan el mecanismo de orientación.
Unidad de refrigeración: mecanismo para enfriar el generador eléctrico.
Torre: parte del generador que soporta la góndola y el rotor.
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Mecanismo de orientación: activado por los controladores electrónicos, permite colocar el aerogenerador de tal manera que se obtenga al máxima potencia.
Figura 6: Componen tes de un aerogenerador
1.5 Modelos e ne rgía eólica 1.5.1 el viento y su e nergía La energía cinética asociada al viento:
= 12 Donde: Ecin: energía cinética del viento (J) maire: masa del aire (kg) v: velocidad del viento (m/s) De la ecuación anterior se define la potencia del viento como:
= = (12) ( ) Donde: P: potencia del viento (W)
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La potencia es definida respecto a la cantidad de aire que circula por un determinado sector del espacio. La masa puede ser expresada por:
= Donde: ρ: densidad del aire (kg/m3)
V: volumen del aire (m3) La variación de la masa en el tiempo conlleva a una variación del volumen de aire que circula por el mismo sector.
= ( ) A su vez el flujo está definido como:
= Donde: F: flujo de aire (m3/s)
La variación de volumen en el tiempo se define como:
= 2) A: sección ortogonal al vector develocidad del aire (m Sustituyendo la ecuación de la fuerza en la ecuación de la derivada del volumen del aire con
respecto al tiempo se obtiene:
= Luego, sustituyendo la ecuación de la derivada del volumen del aire con respecto al tiempo en la ecuación de potencia del viento se obtiene la ecuación que define el comportamiento
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de la potencia de una masa de aire que se desplaza con una cierta velocidad por unidad de superficie:
= 21 Donde: A: superficie (m2)
: Densidad del aire (kg/m3) : Velocidad del viento (m/s) La ecuación final expresa la potencia en funció n del cubo de la velocidad del viento y proporcional a la superficie de la sección. La potencia sigue un comportamiento cuadrático respecto al diámetro del aerogenerador si se considera la velocidad del viento como constante.
1.5.2 Teorema De Be tz El primero en estudiar científicamente los motores eólicos fue Betz, quien determinó la máxima potencia extraíble de una vena fluida. La teoría de Betz parte de suponer que la vena fluida en la corriente no perturbad a de la turbina eólica posee una velocidad V1, y que en el infinito, aguas debajo de la misma, posee una velocidad V2. En relación a la figura 7, podemos observar un resumen del funcionamiento del tubo de corriente, se supone que en la dirección del viento hacia la hélice, el aire posee una velocidad V1 (velocidad del viento sin perturbar) en la sección transversal A1, mientras que la velocidad del viento V2 corresponde a la sección transversal A2 desde la zona en que se encuentre la hélice. En el plano que contiene la hélice, la sección transversal batida por la misma (área de rotor) es un disco imaginario de área A,siendo V al velocidad del viento en la misma (velocid ad útil). Relacionamos la hélice a un disco de área Aque absorbe parte dela energía del air e en movimiento que llega a él, es decir V 2 > V1.
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Sin embargo, es obvio que 2Vnunca es cero (no puede extraerse toda la energía cinética del aire).
Figura 7: Mo delo de Betz.
= = ) es constante (conservació n de la
El caudal másico ( masa), es decir:
= = = = (Esto explica que el tubo de corriente se ensanche tras la turbina, como V 2 > V1, entonces A2 > A1) Podemos expresar la potenciaútil transferida por el viento a la turbina de dos maneras: 1.- perdida, por unidad de tiempo, de energía cinética del viento al pasar por al hélice:
1−2 = −∆ ∆ = ∆ = 2 ∆1 − = 12 ρAd− 2.- el trabajo generado por, por unidad de tiempo, por la fuerza del viento igual, por la s leyes 2da y 3 ra de newton, a menos la regulación de cambio en la cantidad de movimie nto del aire al pasar poral hélice sobre el área A:
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= 1/2∆ −
= 12 ρAd− Notar que, por la 3 a ley de newton: Fuerza del viento = - fuerza sobre el viento = m (V2 -V1)/∆t = ρAv(V1 –V2) De las ecuaciones anteriores tenemos que:
− = ρ A – 2 - b2 ) = (a - b)(a + b) Por tanto, recordando que (a
= −2 Es decir, en el modelo de Betz, y para que las ecuaciones sean consistentes entre sí, la velocidad del viento en el plano de la hélice (velocidad útil) es la media de las velocidades de viento antes y después de la misma. Hagamos el cambio V2 = bV = bV1 (sabemos, que 0 < bV < 1):
= 21 ρ A [ +2 ] − = 14 1 + b 1 – El valor máximo para la potencia se obtiene ahora haciendo:
= 0 Que nos deja: (1 – b2) + (1 + b)(-2b) = (1 + b)(1 - 3b) = 0 Soluciones:
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b= -1(sin sentido físico) b=1/3 →V2
= (1/3) V1
De modo que al potencia máxima es:
= [16] 1 pA 27 2
Es decir, el coeficiente de potencia máxima (ideal) de una turbina eólica es:
= 16 27 =59% 1.6 Conversión de la energía eólica en energía eléctrica La conversión de la energía eólica a energía eléctrica, en un generador eólico de eje horizontal tanto como deeje vertical se l eva a cabo de la siguiente manera: la energía eólic a, es un tipo de energía disponible en forma de energía cinética, esta energía choca con las palas o álabes del rotor, haciendo que estas empiecen su movimiento transformando la energía cinética en energía mecánica; gracias a este movimiento de las aspas que están conectadas al rotor con un mismo eje, el rotor gira a una cierta velocidad, es aquí cuando se produce una corriente en los hilos de cobre del rotor; esta corriente suministra al generador la fuerza electromotriz capaz de producir energía eléctrica ya sea para almacenarla en baterías o ya sea para conectarla directamente a la red. En este proceso que se ha mencionado, antes de que ocurra el transporte, la energía producida en los generadores debe transformarse, elevándose su nivel de tensión, esta es una parte muy importante, ya que para transmitir un nivel de potencia, se reduce la corriente que circula por el cableado, haciendo esto, las pérdidas por el efecto Joule se minimizan de manera muy significativa. A continuación en la figura 8 se presenta el proceso de conversión de la energía eólica en energía eléctrica; está tomada del tipo de conversión de energía mecánica en energía
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eléctrica con conexión directa a la red, y está modificado para la misma conversión pero con el objetivo de poder almacenarla en baterías, evitando la instalación y el uso de convertidores electrónicos y acoplando un bancode baterías.
Figura 8: Conversión de la energía mecánica en energía eléctrica.
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La conversión de la energía mecánica en energía eléctrica, en funció n de la velocidad presenta diferentes configuraciones, las cuales se explican en resumen a continuación:
1.6.1 Generadore s eólicos de ve locidad constante Para este tipo de generador, la configuración que más se usa es la de un generador asíncrono directamente conectado a al red; para este caso, el objetivo del generador eólico es almacenar la energía en baterías Las palas y el generador eléctrico están acoplados directamente a la caja multiplicadora, girando de esta manera en conjunto a velocidad constante; la velocidad de giro puede variar alrededor de un 1% en función del par que se impone en el eje; es poresto que no se los considera generadores de velocidad variable. En esto generadores eólicos, para evitar altas corrientes en el arranque se usa un “softstarter ”
(arrancador suave). La figura 9 ilustra un aerogenerador con generador de inducción sin convertidor con regulación.
Figura 9: Ae rogenerador con generador de inducción s in convertidor con regulaci ón.
1.6.2 Generadores eólicos de velocidad variable Este tipo de aerogeneradores son los que más se producen en el mercado; un esquema de este se indica en la figura 10; estos son generadores asíncronos doblemente alimentados y generadores síncronos conectados a la red mediante un enlace de continua; para estos dos casos las variacio nes de velocidad que se obtienen son similares.
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Figura 10: Aerogenerador con g enerador de inducción doblem ente alimentado , rotor bobinado.
En los generadores síncronos se encuentran los sistemas de transmis ión directa, estos utilizan una máquina síncrona multipolar eliminando la caja multiplicadora; para estos dos casos las variacio nes de velocidad son similares. El Double Fed Induction Generator que es el generador asíncrono doblemente alimentado, es una máquina asíncrona con rotor bobinado, que incorpora un convertidor de frecuencia, esto se da gracias a unos anillos que están acoplados al rotor que control an tanto las corrientes de red como la del mismo rotor; con esto la recuencia f del rotor varía libremente.
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CAPITULO II CÁLCULO Y DIM ENSIONAMIENTO DEL AEROGENERADOR Para el diseño del prototipo se realizan los cálculos necesarios para dimensionar todos los elementos que componen la máquina final. El prototipo a diseñar y los cálculos cumplirán con el objetivo de construir una turbina que consta de un rotor de eje vertical denominado rotor tipo Lenz II, quetendrá una potencia de 6W a la velocidad de diseño para así suministrar energía a un hogar.
2.1 Velocidad de diseño Para calcular y dimensionar el rotor, primero se debe conocer la velocidad del viento con la cual va a trabajar el aerogenerador, ya que con esta se realizan todos los cálculos, para elegir esta velocidad se tienen en cuenta los datos del viento de la zona en la que se va a instalar el aerogenerador en este caso será de la ciudad de Juliaca, provincia de San Román, departamento de Puno. La velocidad de diseño del aerogenerador es de 3.09m/s, para la ciudad de Juliaca (Ver Anexo 5).
2.2 potencia nominal Para determinar el rendimie nto total o nominal del aerogenerador se deben considerar las diferentes pérdidas de energía presentes en el sistema (perdidas del rotor, delgenerador y del multiplicador) Para el anális is se debe estimar un rendimiento mecánico
en elque se considera para ello
las pérdidas de energía que se producen en los descansos, acoplamientos y el sistema de transmisión (multiplicador), producidas por el contacto entre os l elementos (roce), también se debe asumir el rendimie nto eléctrico
en la etapa de generación, junto
con calcular un
rendimie nto del rotor se procede a determinar la potencia nominal del diseño de la turbina eólica, previo cálculo del rendimiento global del sistema eólico. El coeficiente de potencia (Cp) del rotor sehalla de la siguiente gráfica 1:
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Gráfica 1: Coeficiente de Potencia de Betz en Fun ción de la Velocidad
Y se obtiene mediante la ecuación:
= Ec. (1)
: Eficiencia mecánica. : Eficiencia sistema eléctrico. : Coeficiente de potencia. Por lo tanto, setiene que la potencia nominal es:
= Ec. (2) Conociendo los parámetros de diseño, se determinan los la potencia nominal del aerogenerador, para lo cual se toma en cuenta las siguientes especificaciones para los cálculos a realizar. Se consideran las diferentes pérdidas de energía presentes en el sistema:
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Rendimie nto mecánico: Se estima un 90% por pérdida en la transmisión y rozamie nto en los cojinetes.
Rendimie nto eléctrico: Se consideran Pérdidas en el transformador, conversión, cable. etc. Se considera un 90% de rendimiento en éstos factores.
Coeficiente de Potencia: Dado porel coeficiente de Betz.
Mediante la Gráfica 1, se halla el coeficiente de potencia:
=0.35 Para hallar la eficiencia total se reemplaza en la Ecuación 1 y se obtiene:
=0.9∗0.9∗0.35 =0.2835 Se desea que la potencia nominal que entregue la turbina eólica sea:
= 6 Se reemplaza en la Ecuación 2 y se obtiene la potencia nominal.
6 = 21.164 = 0.2835 2.3 Diseño del rotor Una vez determinada la potencia de diseño y la velocidad nominal, se determina el tamaño del rotor, se establecen los parámetros geométricos y de operación. Para nuestros cálculos se va a considerar que la densidad varía únicamente con la altura del lugar, la densidad del aire mediante la ecuación:
⁄ ℎ = (1 − ) ( −ℎ) Ec(3).
Donde:
ρ: es la densidad del aire en condición estándar (1, 225 kg/m3), T0: es la temperatura estándar (288,16ºK).
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h: es la altura (en m) donde sequiere calcular la densidad(3825msnm). g :es la aceleración de la gravedad (9,81 m/s2). R: constante especifica del aire (287 J/kgºK). B: 0,0065 ºK/m. La potencia del viento se halla mediante la ecuación:
= Aρ Ec(4). Donde:
: Área del rotor (m2) : Densidad (kg/m3) : velocidad (m) La potencia del aerogenerador depende del coeficiente de potencia de este y la ecuación queda de la siguiente forma:
= Ec(5). Donde:
: Coeficiente de potencia. : Potencia del viento = 1 Aρ Ec(6).2 Y la potencia final depende de los rendimientos tanto del generador eléctrico como del sistema de transmis ión, por lo que la expresión de la potencia eléctrica queda de la siguiente forma:
= n n Ec(7). Donde:
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: Eficiencia mecánica. : Eficiencia sistema eléctrico. = ∗A∗ ∗ 2n ∗ n ∗ Ec(8). Por lo que el área necesaria para producir esa potencia está dada por al ecuación:
= ρ2 n n Ec(9).
Dado los parámetros para el diseño del rotor se procede a realizar los cálculos respectivos para así obtener las medidas necesarias del rotor para nuestro aerogenerador. Para obtener la densidad del aire en la ciudad de Juliaca, se reemplaza en la Ecuación 3 y se obtiene:
⁄ ℎ = (1 − ) ( −ℎ)
ρ=0.832 / Se halla el área necesaria para producir lapotencia eléctrica reemplazando en la Ecuación 1.20
= 0.9 = 0.9 = 0.35 = 0.832 /3 = 10 = 3.09/
26 = 0.90.90.350.8323.09 =12/6.959
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= 1.724 Del resultado obtenido se define que la altura de los alabes del aerogenerador serán de 1.7m y 2. el diámetro del rotor 1.02m, con dichos datos se obtiene que el área de barrido será de 1.734m
Teniendo el área delrotor se halla la potencia del viento reemplazando en la Ecuación 4:
1 = 2 1.7340.8323.09 = 21.282 2.4 Diseño de los alabes Para el diseño de los alabes de nuestro aerogenerador se toma como referencia el modelo de Lenz2, el cual está basado en el modelo Savonius. El modelo de Lenz2 se basa enel efecto Venturi el cual se explica por el Princip io de Bernoulli, consiste en que un fluido en movimie nto cuando pasa por un estrechamiento su velocidad aumenta y su presión disminuye. (Mosca, 2005).
Figura 11: Efecto Venturi
Se habla de este efecto ya que el ala se ayuda de este para generar con la diferencia de presiones la sustentación, el aire como lfuido genera rozamiento y tiene viscosidad y el aire tiende a ir con la forma del objeto que se encuentre, el ala se diseña de tal manera que una parte del air e que se cruza con ella se acelere yotro mantenga su velocidad, así se consigue la diferencia de velocidad y por consiguiente de presión que sedemostraba en el efecto Venturi.
28
Figura 12_ Efecto Venturi En Un Ala
La Figura 12 muestra cómo se divide el aire en dos, el aire que pasa por debajo mantiene la velocidad que tenía el flujo del aire y el aire que pasa por encima debido al efecto de la viscosidad se pega a la parte de arriba, acelera su velocidad y crea una baja presión, el aire que pasa por debajo al tener más presión que el aire que pasa por encima crea una fuerza hacia arriba denominada sustentación. Las líneas paralelas al alabe son la representación del aire y a esto se le l ama aire rectilíneo y es lo que se necesita para crear la sustentación. Hugh Piggott y Lenz se ayudan con el rotor tipo Darrieus para realizar el modelado y llegar a las ecuaciones que permiten hallar los ángulos de los alabes y se muestra a continuación junto con el diseño.
ℎ = ∗ 0.14 Ec(10).
=∗0.09 Ec(11).
= ∗ 0.28 Ec(12). Donde: D= diámetro (m) C= circunferencia (m)
29
Figura 13: Rotor Tipo Lenz2 Reemplazando en las Ecuación 10, Ecuación 11 y Ecuación 12 respectivamente, se obtiene:
ℎ = 1.02∗0.14 = 0.143 = 3.204∗0.09 = 0.288 = 1.02∗0.28 = 0.286 La operación correcta para la obtención de las medidas de los alabes es modificando la Ecuación 10, Ecuación 11 y Ecuación 12, se obtiene:
ℎ = 1.02∗0.1875 = 0.191 = 3.204∗0.09 = 0.288 Radio de la circunferencia = 1.02∗0.40 = 0.408 2.5 Determinación de la velocidad de rotación Para obtener la velocidad a la que gira el rotor se utiliza la siguiente expresión:
= (13) Donde: λ: velocidad especifica(velocidad tangencial de la pala/velocidad del viento) ω: velocidad
angular(rad/s)
R: radio del rotor del aerogenerador (m)
30
V: velocidad de diseño del viento (m/s) En el caso de aerogeneradores tipo Lenz2 la velocidad específica a la que se consigue la máxima potencia tiene un valor alrededor de 0,8. Reemplazando los valores numéricos en la ecuación 13 se obtiene:
0.8∗3.09 = = 0.51 →=4.847/ = 2 60 → = 46.285 2.6 Eje Principal La fuerza del viento es considerada como una carga repartida a lo largo de toda la longitud de la viga donde se encuentran las palas del rotor,es decir, a ol largo de una altura de 1.9 m, por lo que cumplirá.
=1.7=
∗
Si se sabe que la presión ejercida sobre el área de barrido del rotor por el viento es de 166.4 N (ver Anexo 1), entoncesse obtiene que la fuerza del viento es:
=166.4∗1.734=288,538 El esquema correspondiente de estudio se puede observar en elanexo 2, de Donde se cumple que:
∑ → = 0 ∑ → + =∗1,7 ∑ → ∗1,9−∗1,70,1+ 1,72 = 0 Los resultados de las reacciones en los puntos de apoyo son:
= 0
31
=142.57 = 142.57 El momento flector máximo se dará en el punto medio de la aplicación de la fuerza distribuida (ver Anexo 2), a al distancia de 0.95m del apoyo A.
= 74.85 . Para que el eje soporte este m omento deberá ser:
σ ≤ .. Ec.(14) Donde: M: momento en el eje Welast res: módulo de resistencia del eje σe =
275MPa: limite elástico del material del eje(acero)
c.s = 2: coeficiente de seguridad (acero) Por lo que el módulo de resistencia deberá tener un valor mayor o gi ual que:
= . =0.272∗10 =0.2723
Este módulo resistente depende de al geometría del eje, de sus dimensiones y de su espesor. En este caso nuestro eje va ser cilíndrico hueco, por lo que de las tablas se obtiene que la tubería debe ser de 19.05mm de diámetro y de 2mm de espesor. Para construcción de nuestro prototipo se usara un tubo comercial el cual de 25 mm de diámetro exterior 2mm de espesor. Para más información acerca de la tubería ver el Anexo 4.
32
2.7 Calculo de los rodamientos y de la es tructura de suje ción La estructura de sujeción consiste en unas barras de acero soldados. Las funcio nes que realiza esta con por un lado la de soportar el eje, así como todo el peso de los componentes que se encuentran unidos a él (alabes, eje, sistema de transmis ión), para permitir que dicho eje se encuentre voladizo, y por otro al do la de sujetar la parte superior del equipo, para que no se produzca mucha flexión cuando la fuerza del viento sea muy grande. Ambas uniones del equipo con la estructura se realizan mediante rodamientos, los cuales permiten el giro libre del rotor. En la unión superior e inferio r, se utilizará un rodamiento radial capaz de soportar la fuerza del viento. Esta fuerza del viento, ya ha sido calculada en las condiciones más desfavorables y tiene un valor de 288.538N. Para ello se ha seleccionado un rodamiento SKF tipo YAR 205-2F, el cual tiene 25mm de diámetro interior (mismo diámetro que el eje) y un diámetro exterior de 52mm, y se usa un porta rodamiento FYTB 505 M, el cual tiene un diámetro exterior de 70mm. Para más detalles de los rodamiento y porta rodamiento ver el Anexo 3. La estructura de soporte será tubo rectang ular hueco, lo que debe estar de acuerdo al diámetro del diámetro exterior del porta rodamiento y se obtiene que la tubería debe ser de 70mm de base y de 50mm de altura. Para más detalles de la tubería ver el Anexo 4.
2.8 Selección de la transmisión Las correas son elementos de transmisión de potencia, basan su funcionamiento en las fuerzas de fricción. Este sistema es un conjunto de dos poleas, situadasa cierta distancia, acopladas por medio de una correa. Según el tamaño de as l poleas existen dos tipos: Sistema reductor de velocidad y sistema multiplicador de velocidad.
Figura 14: Sistema de Poleas
33
Para el aerogenerador se utiliza un sistema multiplicador de velocidad, en el cual la polea de salida (conducida) gira a mayor velocidad que la polea de entrada (motriz). La relación entre ambas poleas se define de la siguie nte manera:
= = Ec. (15). Donde:
: velocidad de la polea conducida : velocidad de la polea motriz : diámetro de la polea motriz : diámetro de la polea conducida 2 1
1 2
2.9 Diseño del generador Debido a que los alternadores de carro necesitan altas velocidades para generar el voltaje necesario para cargar una batería y en el Perú no se consiguen los generadores que se utilizan en este tipo de máquinas, se decide diseñar un generador modificando un alternador en desuso y así disminuir costos, en este caso se av a diseñar un generador de imanes. Se debe tener en cuenta las especificaciones del alternador y las pérdidas generadas por el multiplicador para escoger eltipo de imanes a utilizar. El objetivo es gualar i o aumentar el flujo magnético hacia el estator, por lo cual se deben reemplazar las bobinas del rotor por eltipo de imanes escogidos. Se pretende con esto que el sistema entregue energía desde que inicie la velocidad, evitando tomar energía de este para alimentar con corriente directalos devanados del campo del rotor. Con las características de los imanes se determina la energía magnetostática máxima que los imanes entregaran. La energía existente en un campo magnético Em (J) está definida por:
= ∗ ∗∗ Ec.(16)
34
Donde: B: Campo magnético (G) H: Intensidad del campo magnético (O) V: Volumen de un imán (m3) N: Numero de imanes
∗ : Producto de máxima energía (MGO) La potencia eléctrica máxima resulta del producto entre al energía magnética máxima y la velocidad angular a la cual se encuentra girando.
= ∗ Ec.(17) Donde:
: Energía magnética máxima (J) : velocidad angular (rad/s m
Se procede a modificar el alternador para lo cual utilizaremos de un automóvil de srcen chino de 12V, 63A a 3600 rpm, teniendo en cuenta las pérdidas del multiplicador se opta por construir un generador de imanes permanentes. Se decide usar manes i de neodimio tipo anillo, Las características del imán de Neodimio utilizado se muestran en la siguiente tabla: Modelo
Energía Max.(kJ/m3 )
Diámetro externo(mm)
NMH 319
302.3 a 318.3
78
Diámetro Espesor interno(mm) (mm) 57
Temperatura Max. (°C)
10
80
Tabla 1: Características del Imán
Se reemplaza en la ecuación 16 para obtener la en ergía existente en el campo magnético:
= 12 (302300 ) 4 ∗0.01∗0.078 −0.057 ∗ 3 =10.097
35
Se reemplazan diferentes valores de velocidad en la ecuación 17 para obtener la potencia eléctrica máxima:
= ∗ ω La siguiente tabla muestra la máxima potencia con respecto a la velocidad Velocidad(rpm)
P. Eléctrica Max. (W)
100
105.735
200
211.470
300
317.205
400
422.940
500
528.675
600
634.410
700
740.145
800
845.88
900
951.615
1000
1057.350
Tabla 2: potencia con resp ecto a la velocidad
2.9.1 Modificación del rotor Se debe desarmar el rotor, sacar al bobina y el núcleo, acoplar los imanes en el espacio que ocupaba la bobina. Se desarma el alternador identificando cada una de sus partes, se desarma el rotor para sacar la bobina y el núcleo, para así poder insertar los imanes, se opta por utilizar imanes de neodimio como se muestra en la Figura 15.
Figura 15: Imán de Neodimio
36
2.9.2 Diseño y construcción del estator También se debe modificar el estator para mejorar el rendimiento del generador y que los imanes trabajen correctamente con el flujo magnético que se obtiene de las bobinas. Se debe definir el número de espiras por bobina con el nuevo calibre de alambre a utilizar, para calcular este número se tiene el diámetro y numero de espiras del anterior alambre. Se halla el área conla siguiente ecuación:
=∗
Ec.(18) Donde: AA: Área del alambre (mm) Para hallar el área total, tenien do en cuenta el número de espiras se utiliza la siguie nte ecuación:
= ∗ Ec.(19) Donde: N: número de espiras
Para determinar el voltaje que se va a obtener, primero se halla el flujo magnético, donde:
=∗∗ Ec. (20) Donde: K: constante que representa la construcción de la máquina que es igual a Nc numero de espiras
: flujo magnético (webers) : velocidad angular deseada (rad/seg) Se tiene que:
=∗ Ec.(21)
37
Donde: 2) A: Área total de las espiras (m
B: Campo magnético (T) Se reemplaza la ecuación 21 en la ecuación 20 y se obtiene:
= ∗∗ Ec.(22)
Donde:
: Voltaje generado por una fase. Para el estator se construirá una corona de 24V utilizando alambre de cobre esmaltado calibre 16. Con elfin de calcular el número de espiras se parte del diámetro y el número de espiras del anterior alambre, haciendo que de esta manera se aumente su calibre.
Figura 16: Diseño Del Estator
Se tiene que el diámetro srcinal del alambre es calibre 14 el diámetro es de 1.732 mm, se
= 2 =0.866
halla el área del estator mediante la ecuación 18:
Entonces:
= 2.356 2 Si son 5 espiras por bobina, el área total se obtiene reemplazando en la ecuación 19:
38
= 12.27 2 Obteniendo estos datos se calcula el número máximo de espiras con el nuevo calibre a utilizar. Se tiene magneto calibre 0.912 mm, entonces para encontrar el número de espiras máximo se tiene que:
Entonces:
= = 0.456 2 =0.6532 2
Despejando N espiras de la ecuación 19:
= 12.272 0.6532 = 18.78 ≅ 19 . Para hallar el flujo magnético se utiliza la ecuación 20, donde:
=K∗φ∗ω
K= NC es igual a 35, como son 5 espiras por 7 bobinas por fase. Para hallar B que es campo magnético medido en Teslas (T), se sustituye la ecuación 19 en la ecuación 21, y despejando B se obtiene:
= ∗∗ Donde
es igual a 7.75Vpico que es el voltaje generado por una fase y se obtiene: = 0.59
Se reemplaza en la ecuación 21, para hallar el flujo magnético,
= 0.0006938 Una vez obtenidos todos los datos, se calcula el voltaje que puede generar a 100rpm que es igual a 10.472rad/s, sustituyendo los datos en la ecuación 20.
= 19 ∗ 7 ∗ 0.0006938 ∗ 10.472 / s
39
En la siguiente tabla se muestra el voltaje a diferentes velocidades con el nuevo calibre en el estator del alternador. Velocidad(rpm)
Energía Máxima por bobina (W)
100
0,96630799
200
1,92855586
300 400
2,89837031 3,85711172
500
4,82600342
600
5,79766338
700
7,72345098
800
8,6960337
900
9,66123438
1000
10,6292033
Tabla 3: Voltaje generado con el nuevo calibre
40
BIBLIOGRAFIA
Manual de energía eólica, J. M. Escudero López, segunda edición, Barcelona 2008
Ingeniería de la energía eólica, Miguel Villa rubia López, primera edición, 2012
Diseño preliminar de un aerogenerador de 4,5 MW de potencia, Daniel Rodrigo González
– Perú 2008. Atlas eólico del Perú, MINEM, primera edición, Lima Antezana Nuñez, J. C. (2004). Diseño y Construcció n de un Prototipo de Generador
Eolico de Eje Vertical. Santiago de Chile: Universidad de Chile, Facultad de Ciencias Fisicas y Matematicas.
Orduz Berdugo, O. I., & Suarez Perez, J. E. (2011). Diseño y construccio n de un prototipo de turbina eolica de eje vertical para generación a baja potencia. Bucaraman ga.
Pinilla S, A. (1997). Manual de Aplicación de la Energía Eólica. Instituto de Ciencias Nucleares y Energías Alternativas (INEA).
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http://www.renovables-energia.com/2009/09/aerogenerador-savonius/
http://www.renovables-energia.com/2009/09/aerogenerador-darrieus/
http://opx-energy.com/eolica/tipos_aerogeneradores.html
http://greenterrafirma.com/vawt-designs.html
http://www.windstuffnow.com/main/lenz2_turbine.htm
http://files.pfernandezdiez.es/EnergiasAlternativas/eolica/PDFs/04Eolo.pdf
http://es.pfernandezdiez.es/index.php?pageID=16
http://www.inti.gob.ar/cirsoc/pdf/publicom/tablas.pdf
http://www.skf.com/us/products/bearings-units-housings/ball-bearings/y-bearings/ybearings-with-grub-screws/index.html?designation=YAR%20205-100-2F
http://pequenosgenios4.jimdo.com/partes-de-un-aerogenerador/
ANEXOS
ANEXO 1 PRESION DEL VIENTO El viento al chocar contra asl palas del aerogenerador provoca una presión en estas queviene determinada por la siguiente expresión:
= 12 ρ Donde: ρ: densidad del aire V
: velocidad del viento
Los cálculos se realizaran para condiciones más desfavorables. Por ello la velocidad del viento será la más alta, lo cual es 20 m/s. Así, la presión ejercida por el viento será.
= 12 ρ = 12 0,83225 = 260 = 12 ρ = 12 0,83220 = 166.4
ANEXO 2 CALCULO DE M OMENTO FLECTOR DE EJE PRINCIPAL Para el cálculo del momento flector máximo se utilizara el programa MDSOLID, que nos permite poder simular las cargas a la que estará sometida eje principal, los resultados obtenido s de puede observar en la figura siguiente.
ANEXO 3 FICHA TECNICA SKF
ANEXO 4 FICHA TECNICA DE ACEROS AREQUIPA
ANEXO 5 VELOCIDAD DE VIENTO EN JULIACA La velocidad media medida del viento para cada mes, para la ciudad de Juliaca se puede observar en la tabla N°1, para un periodo de un año. La ciudad de Juliaca se ubica en las coordenadas UTM; Latitud: 15,44° S. y Longitud: 70,21° O. Los valores que se muestran en la tabla N°1, son para una altura de 25 metros.
Tabla N°1: Velocidad de viento en Juliaca
PLANOS
