diseÑo y construcciÓn de un prototipo aerodinÁmico de aerogenerador a sotavento de 80w

7/26/2019 DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN PROTOTIPO AERODINMICO DE AEROGENERADOR A SOTAVENTO DE 80W

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CEDIT EAPIMF UNMSM 1

DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN PROTOTIPO AERODINMICODE AEROGENERADOR A SOTAVENTO DE 80W

CON PALAS NO LINEALIZADAS

AUTORES

CASTILLO VICENCIO, Fernando Enrique [email protected] CCASANI, Marino [email protected]

ASESOR

Ing. AGUILAR BARDALES, Jos Alberto [email protected]

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE CIENCIAS FSICAS

E.A.P. INGENIERIA MECNICA DE FLUIDOSCENTRO DE DESARROLLO E INVESTIGACIN EN TERMOFLUIDOS

Telf. (511) 619-7000 Anexo 1071 / [email protected] Ciudad Universitaria s/n

RESUMEN

A medida que aumenta la sobreexplotacin de los diferentes recursos energticos convencionales del planeta, yteniendo esto como consecuencia el prximo agotamiento de dichas fuentes, se hace cada vez ms importante labsqueda de fuentes alternativas de energa, como la energa elica, principalmente en forma deaerogeneradores. Se busc disear un prototipo de aerogenerador a sotavento de pequea escala, con el objetivode utilizarlo para investigacin. Posteriormente al diseo, se procedi a la construccin del mismo, teniendo encuenta parmetros tales como la resistencia de los materiales, fuerza, presin, torsin, entre otros; as como lamecnica de las palas y del viento. Adems para garantizar la factibilidad econmica, se usaron materiales cuyocosto no es muy elevado.

ABSTRACT

As it increases the overexploitation of the different energetic conventional resources of the planet, and havingthis as consequence the near depletion of the above mentioned sources, there becomes increasingly important thesearch of alternative sources of energy, as the wind power, principally in the shape of windmill. One sought todesign a prototype of windmill to lee of small scale, with the aim to use it for investigation. Later to the design,one proceeded to the construction of the same one, bearing in mind such parameters as the resistance of thematerials, force, pressure, twist, between others; as well as the mechanics of the blades and the wind. In additionto guarantee the economic feasibility, there were used materials which cost is not very high.

INTRODUCCIN

Un tipo de energa renovable como la energa elicapodra ser til en lugares donde no es accesible laenerga elctrica de la red convencional, llmesecentro poblados rurales generalmente alejados delas zonas urbanas.

Sin embargo, al intentar utilizar este tipo de equiposen las zonas rurales, llegamos a otro inconveniente:que estos equipos (aerogeneradores) tienen preciosmuy elevados para nuestro medio. Por si fuerapoco, es necesario un mantenimiento peridico delequipo y eventuales reparaciones, para esto, serequerir de personal especializado, es decir, otrocosto adicional elevado.

Debido a estas causas, los aerogeneradores estnpoco difundidos en nuestro pas.

PLANTEAMIENTO DE ESTUDIO

La gran mayora de los aerogeneradores tienen undiseo a barlovento, mientras que en losaerogeneradores a sotavento el viento pasa por lagndola antes que por las palas, lo que causa unefecto de abrigo. Esto crea ms cargas de fatiga enla turbina que con el diseo a barlovento. Sinembargo, los aerogeneradores a sotavento tienencomo ventajas que la gndola se comportaflexiblemente, y que pueden autodirigirse endireccin al viento, es decir, no necesitan unmecanismo de orientacin.


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El mtodo de diseo y posterior construccin delprototipo de aerogenerador a sotavento queponemos en prctica tiene como base los puntosanteriormente citados, corregir las desventajaspropias del modelo y hacer ms notorias sus

ventajas.

DELINEACIN DE OBJETIVOS

El objetivo general de este estudio es disear yconstruir un prototipo experimental de unaerogenerador a sotavento de baja potencia quepueda competir con los estndares del mercado y aun bajo costo, con proyeccin a ser usado en elentorno rural de mayor necesidad en lo que refierea energa elctrica.

Los objetivos especficos son los siguientes:

Desarrollar un mtodo de diseo innovador quecompita con los estndares nacionales.

Aplicar la tecnologa a la solucin deproblemas de nuestro entorno social.

Un equipo experimental que brinde unamxima versatilidad con mnimomantenimiento.

Cuantificar las perdidas en mecanismos ycomponentes, desarrollando mtodos paradisminuirlas.

Encontrar un balance optimo para losmateriales, estructura y dise de sistemas degeneracin elico.

MARCO TERICO

La metodologa usada para el diseo de unaerogenerador a sotavento se puede dividir en 6etapas: Diseo del Generador, Diseo de Palas,Diseo de la estructura principal, Diseo de laTornamesa, Diseo de la Carcaza y Diseo de laTorre.

1.Diseo del Generador.

El generador, es de imanes permanentes, con unestator de 6 bobinas y un rotor compuesto de 2platos con 8 magnetos cada uno (8 pares de polos).

1.1 Configuracin del generador.

a) Estator.

El estator est conformado por un arreglo de 6bobinas de cobre (AWG 14). El bobinado se haconfigurado de tal forma que la corriente obtenida

sea del tipo trifsica, ya que esta disposicinpresenta menos perdidas en una disposicin deonda completa que un circuito monofsico.

La conexin del bobinado se hizo mediante laconfiguracin estrella, lo que facilita lageneracin de voltaje a bajas revoluciones, y poresta razn el generador va acoplado directamente aleje principal.

Figura N 1: Esquema del bobinado con conexin estrella.

Las bobinas estn ubicadas dentro de un plato

circular de resina slida de 36.5 cm de dimetro y2.9 cm de espesor, con un agujero concntrico de13 cm, que permite el paso del eje del generador ysus tornillos de sujecin.

Figura N 2: Vista del estator ya terminado.

Esta configuracin, determina que la tensin encada lnea est representada por la siguienteecuacin:

2

38=U

BSN (ecuacin 1)

Donde por cada rama, la tensin ser el doble.

Figura N 3: Tensin en cada lnea.

b) Rotor.

El rotor esta compuesto de dos platos metlicoscirculares de 30.8 cm de dimetro y de 6 cm de


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espesor, en los cuales se han fijado, mediante unacapa de resina (1.26 cm), los 8 magnetos de ferritaCB 1862 de 2 x 2 x 1. Los magnetos son degrado 8 (3,850 GAUSS).

Los platos magnticos son los encargados de crearla variacin del campo magntico al girar, lo queinducir una corriente en las bobinas del estator.

Figura N 4: Vista de los platos magnticos del rotor.

c) Eje del rotor.

Est compuesto de una barra slida de 20 cm delongitud, soldada a un plato circular de 12.8 cm dedimetro, el cual tiene la funcin de sujetar losplatos del rotor, a los cuales va fijado mediante 4esprragos de acero.

Su giro se da gracias al uso de 2 chumaceras queestn sujetas a la estructura principal.

Figura N 5: Eje de giro del rotor.

1.2 Clculo de la superficie de induccin.

Se considerar que la superficie de induccin esigual al rea de la cara del magneto perpendicular alcampo. Esta suposicin no es de todo correcta,debido a que las lneas de campo, en la periferia delrea, no irn rectilneamente de un magneto a otro,si no con cierta curvatura.

Supondremos que esta consideracin no generarmucha variacin en la tensin inducida. Lasuperficie de induccin ser igual a:

S = a = 0.0508 = 0.00258 m

1.3 Clculo del campo magntico uniforme B.

Los parmetros de los que depende del campomagntico B creado entre los imanes, son

principalmente la distancia entre imanes (35 mm ennuestro caso), la dimensin de un polo del imn(50.8 x 50.8 mm), la induccin remanente Br(t)caracterstica del tipo de imn (0.385T) .

Como se sabe el voltaje inducido se verdisminuido debido a la influencia de la resina quecontiene al bobinado y por el espacio de aire entrelos magnetos y el estator. Mediante las pruebasexperimentales, se encontrar que el camporesultante tendr una merma de 18.5% (BNETO =0.31378T).

1.4 Clculo terico de la tensin eficaz inducidaen una bobina.

Primeramente calculamos la tensin o fuerzaelectromotriz inducida en la bobina con la siguiente

expresin:

( ( ( ))2 2

p pe B S N sen t

=

(ecuacin 2)Donde:

e Fuerza electromotriz inducida (V).B(t) Induccin o campo magntico en funcin del

tiempo (t).S Superficie de una espira de la bobina

atravesada por el campo magntico (m2).

N Nmero de espiras que constituyen unabobina (nmero de vueltas).P Nmero de polos del rotor. ngulo girado por el aerogenerador, adems

se sabe que = t (rad). Velocidad angular de giro del generador

(rad/s).t Tiempo transcurrido para girar un ngulo

(s).

Debido a la disposicin geomtrica, la tensininducida ser funcin de la posicin de cada bobinarespecto a la de los magnetos.

Figura N 6: Posicin de las bobinas del estator con relacin alos magnetos de rotor.

Segn la disposicin mostrada en la figura y lafrmula de la ecuacin 1, tendremos que lastensiones inducidas en cada bobina estn dadas por:


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)4()( 4,1 tBCostB = (ecuacin 3)

= 3

2

4)( 5,2

tBCostB (ecuacin 4)

+=

3

24)( 6,3

tBCostB (ecuacin 5)

Luego las tensiones inducidas en las 6 bobinasestarn dadas por:

)4(44,1 tSenNSBe = (ecuacin 6)

=

32445,2 tSenNSBe (ecuacin 7)

+=

3

2446,3

tSenNSBe (ecuacin 8)

Finalmente, si expresamos la velocidad angular enfuncin de las RPM, obtendremos que la tensin enuna bobina est dada por:

215

2 n B S NU

= (ecuacin 9)

Sustituyendo valores anteriormente hallados,tendremos que la tensin eficaz en cada bobina estadada por:

U = 0.02398 n (ecuacin 10)

1.5 Clculo de la tensin de salida rectificadadel generador.

La corriente alterna trifsica de salida del generador

se convierte en corriente continua utilizando dosrectificadores monofsicos de puente (Figura N 1).

Por lo tanto, se puede afirmar que la tensincontinua de salida del rectificador trifsico (VCC),sigue la siguiente expresin:

UVCC

23= (ecuacin 11)

Luego, de reemplazando la ecuacin 1, obtenemos:

BSNVCC

324= (ecuacin 12)

Finalmente, si expresamos la velocidad angular enfuncin de las RPM, obtendremos que la tensin enuna bobina est dada por:

nBSNVCC 5

34= (ecuacin 13)

Sustituyendo las constantes del anterior mentehalladas:

VCC = 0.11217 n (ecuacin 14)

Figura N 7: Esquema de Disposicin las partes del generador.

2. Diseo de Palas.

Para el diseo de las palas utilizaremos la llamada

Teora Evidente, que consiste en la fusin de 3teoras:

- Teora de la cantidad de movimiento axial.- Teora de la cantidad de movimiento angular.- Teora del elemento de pala.

Estas teoras tienen su fundamento en las Hiptesisde Rankine Froude:

a) Supone el aire como un fluido ideal sinviscosidad, en todo el campo fluido, excepto enlas proximidades muy cercanas al plano del

rotor.b) El movimiento del aire es subsnico y a muy

bajos nmeros de Mach.c) El movimiento del fluido es estacionario o

permanente.d) No tiene en cuenta la rotacin del rotor ni la de

su estela.e) Idealiza el rotor como integrado por infinitos

labes infinitamente delgados.f) Las magnitudes empleadas son magnitudes

equivalentes de su perfil de distribucin endicha seccin.


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Figura N 8:Tubo de flujo y su distribucin de presiones(F: Fuerza sobre el rotor)

El denominado Lmite de Betz (1927) expresa losiguiente:

"La mxima potencia que se puede obtener, enteora, de una corriente de aire con unaaeroturbina ideal nunca puede superar al 59,26%de la potencia del viento incidente."

Figura N9:Esquema de distribucin de velocidadesrespecto a las palas.

Luego de tener en cuenta todas estasconsideraciones, se obtiene las siguientesecuaciones:

V

rr

= (ecuacin 15)

[ ]0

)1(41

)21(24)1(1

22 =

+

+

rr

aaaaa

(ecuacin 16)

)'1('

)1(

aa

aar +

= (ecuacin 17)

)1(' )'1( aa aaCot += (ecuacin 18)

2.1 Algoritmo de Clculo.

De la ecuacin (2), conocemos (velocidadangular), r (radio) y V (velocidad del viento); conestos valores hallamos el valor de r ; conocido

este valor calculamos [a] (coeficiente de velocidadinducida axial) en la ecuacin (3), resolvindolapara cada radio r de la pala. Luego con laecuacin (4) hallamos el valor de [a] (factor develocidad inducida angular) y con los valores de [a]y [a] calcularemos el valor de (ngulo formadopor la velocidad resultante respecto del plano derotacin) utilizando la ecuacin (5). Los clculoslos realizaremos para un incremento constante deradio de r.

2.2 Seleccin del perfil para las palas.

En lo que respecta a la eleccin del perfil paranuestro rotor, debemos optar por aquellos de mayoreficiencia aerodinmica (Cl/Cd). Para ello

buscaremos los que cumplan las siguientescondiciones:

- El aumento del Cl hasta su valor mximo alcrecer en ngulo de ataque debe ser paulatino yno romper abruptamente.

- Se debe alcanzar una situacin de compromisoentre el mxima rea transversal necesaria paraun ptimo rendimiento aerodinmico y lamnima que soporte los esfuerzos a los que estsometida la pala.

- Simplicidad de fabricacin de la pala,ntimamente ligada al costo de la misma.

Teniendo en cuenta todo lo antedicho, resulta elms recomendado para este caso el perfilaerodinmico NACA 4412, para el cual su ngulode ataque ptimo es de 4, a este ngulo tenemos unvalor de Cl = 0.9 y Cd = 0.065, con una eficienciaaerodinmica de Cl / Cd = 13.85.

Figura N 10: Perfil NACA 4412.


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Figura N 11: Curva de performance del perfil NACA 4412

2.3 Clculo de esfuerzos y momentos.

a) Clculo del Esfuerzo Axial o Empuje (FA).

Los clculos responden a la integracin numricapor intervalos (r) de los elementos de lasecuaciones obtenidas por la teora del elemento depala a lo largo del radio (R).

rcSenCCosCBVF dLrA += )(21

(ecuacin 19)

Donde CLy Cdson los coeficientes de sustentacin

y arrastre del perfil, respectivamente; , la densidadyB, nmero de palas.

b) Clculo del Torque (T0).

Similarmente al clculo anterior, el torque est dadopor:

)2)((4

10 rrrCosCSenCcBVT dLr +=

(ecuacin 20)

c) Clculo del Esfuerzo Tangencial (FT).

Integramos la ecuacin resultante de la teorade elementos de pala:

rcCosCSenCBVF dLrT = )(41

(ecuacin 21)

d) Clculo del Momento Aerodinmico (Mz).

El momento aerodinmico est referido a laposicin del centro aerodinmico del perfil.

rcCVM mrZ = 21 (ecuacin 22)

Todos estos valores calculados nos servirn a lahora de seleccionar los componentes queconformarn nuestro aerogenerador.

e) Potencia Captada (P).

La potencia captada por cada anillo deespesor r de cada seccin de pala, esta dado por:

)2)((4

1rrrCosCSenCcBVP dLr +=

(ecuacin 23)

3. Diseo de la estructura principal y

tornamesa.

La estructura principal brindar sujecin algenerador, el eje, a las palas, sistemas derodamientos y carcaza. Est compuesta por unaarmadura hecha de tubo cuadrado de 1 y porngulos L de la misma dimensin. La figuramostrada a continuacin muestra los detalles.

Figura N 12: Partes de la estructura principal y disposicin deesfuerzos.

Leyenda[1] Plato magntico del rotor.[2] Estator.[3] Chumaceras del eje del generador.[4] Esprragos de sujecin del estator.[5] Marco de soporte del generador.[6] Eje del rotor.[7] Acople de ejes (generador eje principal).[8] Eje principal.[9] Armadura principal del aerogenerador.

[10] Chumacera del eje principal.[11] Cubo de las palas aerodinmicas.


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La tornamesa, que ser la encargada de facilitar elgiro horizontal, esta compuesta de un rodamientocnico SKF 353166 B/HA3axial (que soportar lacarga vertical) y dos rodamientos radiales de bolasde 40 mm de dimetro interno.

Figura N 13: Vista en seccin del sistema de giro horizontal.

4. Diseo de la carcaza.

Debido a que la disposicin del aerogenerador es asotavento la carcaza ha sido diseada teniendo encuenta la influencia del viento.

Se utiliz una carcaza aerodinmica comoalternativa para atenuar los efectos de abrigo delviento y as lograr un rgimen de velocidad estableque impacte sobre las palas. Su forma es derevolucin, generada por la rotacin (180) de unperfil simtrico NACA 0024 alrededor de sucuerda. Las dimensiones de la carcaza son: ancho47 cm y 196 cm de largo.

Figura N 14: Coordenadas del perfil NACA 0024.

4.1 Orientacin a la direccin del viento.

El sistema de orientacin usado es el de tipo pasivo.Esta forma de orientacin es usada en losaerogeneradores que operan a sotavento(downwind), es decir, que el viento pasa primeropor la torre antes de llegar a las palas.

A causa de la localizacin del plano rotacin de laspalas a una distancia del centro de giro vertical, segenerar un momento, que tiende a mantener alplano del rotor, siempre perpendicular a ladireccin del viento. Tambin contribuye a estemomento la forma aerodinmica de la carcaza y eldeflector del viento.

El deflector de viento se implement, debido a queeste sistema de orientacin tiende a generarperdidas en la eficiencia, debido a la creacin deturbulencia (cuando el viento cruza la torre y vahacia las palas). Este fue diseado en base a un

perfil NACA 0024.

5. Diseo de la Torre.

La torre est conformada por un tubo de acerogalvanizado de 7 m de largo, 3.5 pulgadas dedimetro y 5 mm de espesor. Dicho tubo essostenido en posicin vertical por 8 cables de acerode .

Un sistema pivotante permite erigir la torre desde laposicin horizontal. Dicho sistema est compuestopor un tubo solidario de 3.5 m de largo y 2 de

dimetro, que est soldado y una estructura quesujeta el eje de pivote, el cual se encuentraempotrado en un cubo de concreto de 1 m.

Figura N15:Esquema del aerogenerador izado.

5.1 Elevacin de la torre.

Segn los estudios realizados para determinar elrgimen de viento del punto donde se piensainstalar el aerogenerador (campus universitario dela U.N.M.S.M.), tenemos que: a una altura de 7 mel perfil de velocidad nos garantiza velocidadesmximas de hasta de 6 m/s, por lo tanto, laelevacin asumida de la torre es ms que correcta.

5.2 Clculo de esfuerzos.

Para evitar en vuelco de la torre del aerogenerador,se deber disear el sistema teniendo en cuenta lascargas horizontales y verticales mximas. De dicho

clculo obtendremos las tensiones y resistenciamnimos que debern tener los cables de anclaje.


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a) Fuerza Horizontal.

El esfuerzo horizontal xF correspondeprincipalmente al esfuerzo producido por el viento.

Para calcularlo utilizamos la siguiente relacin:

GNDOLAvPALASvTORREvxFFFF ++=

(ecuacin 24)

- Esfuerzo del viento sobre la torre:

8,3051kg81,473N2

2

=== TDTORREv LV

DCF

Para obtener el resultado, primeramente se calcul

el coeficiente de arrastre en funcin del nmero deReynolds, para ello tenemos los siguientes datos:

- Velocidad mxima del viento: V = 15 m/s.- Viscosidad cinemtica: sm /1013,1 26=

- Densidad del aire: 3/225,1 mkgAIRE = .

- Coeficiente de rugosidad para acero comercialmm045,0=

- Longitud de la torre: mLT 7= .- Dimetro de la torre: D = 0,0889m.

Reemplazando obtenemos: 61018,1/Re == VD .

La relacin 3105,0/ =D .

Con los datos anteriormente hallados nos dirigimosa la Figura N 16, de donde observamos que:

95,0=DC .

Figura N16:Correlaciones de arrastre para un cilindro.

- Esfuerzo del viento sobre las palas:

Se halla usando la ecuacin Esfuerzo Axial oEmpuje (ecuacin 19), obtenindose:

kg13,8523892,135 == NvF PALAS

- Esfuerzo del viento sobre la gndola:

Debido a que no existe una ecuacin analtica conla cual podamos hallar el coeficiente de arrastre dela carcaza (superficie generada por la rotacin del

perfil NACA 0024 sobre su cuerda), se hizo unaaproximacin, considerando que esta poseer uncoeficiente similar al del cuerpo formado por unasemiesfera-cono, como se muestra en la figura.

Figura N17:Coeficiente de arrastre para un cuerpo formadopor una semiesfera-cono.

Luego:

0,0341kg0,3347N2

2

===V

ACF wGNDOLAv

Donde: 22

0,3470m2

==d

A

d: Espesor del perfil (0,47 m).

Por tanto el esfuerzo horizontal total es:

kg22,19150,034113,85238,3051 =++=xF

Para obtener la tensin mxima de los cables quesujetan el aerogenerador debemos asumir que elviento tiene la misma direccin que el plano queforman un par de estos cables con la torre.

Figura N18:Fuerzas horizontales sobre la torre.

Como el sistema est en equilibrio esttico, la sumade fuerzas y la suma de momentos respecto a labase de la torre deben ser nulas.

0= xF (ecuacin 25)


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0,034113,85238,305121 ++=+ xx TT

(ecuacin 26)

= 0M (ecuacin 27)

)0,03417)(13,8523(8,3051))(5,3(28,519,2 ++=+ xTxT

(ecuacin 28)

Resolviendo el sistema:

kg21,3507kg0,8408 21 == xx TT

Luego, usando las relaciones trigonomtricasobtenidas del grfico, las tensiones

1T y

2T :

kg324.14kg1,0919 21 == TT

b) Esfuerzo Vertical.

yyy TTF 21AEROGTORRE PP +++= (ecuacin 29)

- Peso de la Torre:

Siendo a la densidad del acero = 7850kg/m3, R

(0,0445 m) y r (0,0395 m) los radios exterior einterior respectivamente y mLT 7= , tendremos queel esfuerzo vertical sobre la torre est dado por:

72,4185kg)( 22 === TaaTORRE LrRVolP

- Peso del aerogenerador:

Estar compuesto por 5 componentes, que semuestran en la tabla a continuacin:

Peso de la carcaza 27.04 kg

Peso de las palas 10.06 kgPeso del generador 25.19 kgPeso de la estructura 16.91 kgPeso de la tornamesa 8.02 kg

Total 87.22 kg

- Tensin de los cables:

Luego de haber hallado T1y T2hallamos lastensiones verticales T1yy T2y:

kg3812.53kg6967.0 21 == yy TT

Por tanto la fuerza vertical sobre la torre ser:

kg716.251

3812.356967.022.872,4185

=

+++=

y

y

F

F

6. Circuito de control y acumulacin deenerga.

El circuito de acumulacin de energa estconstituido por una batera de 12V automotriz, lacual es cargada por la corriente alterna delgenerador, luego de ser convertida a continua pordos rectificadores puente monofsicos.

La topologa usada es la Online, esta secaracteriza fundamentalmente por que la corrientealterna que sale del generador es llevada a continuae y suministra energa a la red y a batera paracargarla. La proteccin de la batera y la red serealiza mediante un regulador de carga.

Figura N19:Sistema de control y acumulacin de energa.

RESULTADOS Y DISCUSIONES.

Los parmetros de anlisis usados para el de diseode las palas aerodinmicas del aerogenerador, semuestran en la siguiente tabla:

Parmetros Magnitud UnidadPotencia de diseo 100 WCoeficiente de potencia (Cp) 0.3905 #Velocidad de diseo 5.5 m/sEficiencia del generador 80% %

Densidad del aire 1.225 kg/mDimetro del rotor 2 mPerfil aerodinmico 4412 NACARelacin Cd/Cl mnima 0.0722 #ngulo de ataque ptimo 4 #Cl ptimo del perfil 0.9 #Cd ptimo del perfil 0.065 #Posicin relativa del C.A. 25%C #Velocidad especfica 5 #Nmero de palas 3 #Velocidad angular del rotor 27.5 Rad/sRPM de giro del rotor 262.61 r.p.m.

N de secciones analizadas 100 #Intervalo entre secciones 0.01 m

Tabla N 1: Parmetros de evaluacin.


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Resultados:

El resultado obtenido, se fundamenta en el anlisisde 100 secciones a lo largo de la longitud de la pala,todas ellas con un intervalo de 0.01 m.

La siguiente tabla muestra los resultados obtenidoscon el procedimiento de integracin por secciones,plasmado en las ecuaciones 15 al 23.

Parmetros Magnitud UnidadEsfuerzo axial 18.27 NEsfuerzo tangencial 2.52 NMomento normal al rotor 0.26 N-mTorque generado por el rotor 2.62 N-mPotencia del viento 221.45 W

Tabla N 2: Resultados de la evaluacin.

Se determin que el torque mximo de arranqueasciende a 0.23 N-m; y durante las pruebasexperimentales se hallaron los parmetrosmostrados en la tabla a continuacin.

VVIENTO(m/s)

RPMPotenciaTerica

(W)

PotenciaReal(W)

3.5 167 51.63 16.71

4.0 191 75.19 24.95

4.5 215 104.71 35.52

5.0 239 140.88 48.725.5 263 184.44 64.85

6.0 286 236.26 84.20

6.5 310 297.31 107.05

7.0 334 368.74 133.70

Tabla N 3: Resultados experimentales.

La siguiente figura nos muestra una relacin linealentre la velocidad del viento y las RPM del eje degiro del rotor.

Figura N20:Velocidad del viento vs RPM del rotor.

Los resultados obtenidos para la potencia de salidadel aerogenerador versus las RPM de giro del rotorse muestran en la siguiente figura.

Figura N21:Potencia real y terica vs RPM del rotor.

Discusiones:

- La comparacin entre los resultados tericos ylos obtenidos en el campo, muestran una bajaeficiencia en lo que refiere al aprovechamientode la energa del viento, debidofundamentalmente a la baja eficiencia delgenerador.

- La baja eficiencia del generador se debe engran parte a la disminucin del campo

generado por los magnetos al momento deatravesar la capa de resina del estator.

- Otra causal de la baja eficiencia, pero en menorescala, vendra a ser las prdidas mecnicasque se dan, a causa de las fuerzas de friccin enlos rodamientos. Por ello su seleccin ymantenimiento son muy importantes.

- De los resultados experimentales, obtuvimosque se conseguirn los 80 W con una velocidaddel viento de 5.87 m/s. Sin embargo, elgenerador se caracterizar para la velocidad de

7m/s (con 133.7 W suministrados), tomndoseesta como su velocidad nominal. Esto apoyadoen el hecho que esta magnitud llega s ser unestndar en el mercado.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

1. Los resultados mostrados estn basados enclculos tericos y pruebas experimentales decampo.

2. La potencia elctrica neta obtenida del viento

estar en funcin de la eficiencia aerodinmicade las palas y del detalle de su construccin.


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3. En la prctica obtenemos los 80W con 281RPM que corresponden a una velocidad delviento de 5.87 m/s.

4. El diseo basado en el enfoque terico

experimental arroja las siguientescaractersticas:

- Dimetro del rotor: 2 m.- Palas aerodinmicas: 3 palas.- Perfil aerodinmico NACA 4412- Potencia nominal, 133.7 W.- Velocidad nominal de viento: 7 m/s.- Velocidad nominal del rotor: 334 rpm.- Generador de acople directo al rotor.- Generador trifsico de imanes permanentes,

Ferrita (grado 8).- Ocho pares de polos en conexin en estrella.

5. En el futuro deber hacerse un diseo quecontemple un mnimo espesor de la capa deresina, sin comprometer la integridadestructural del estator.

6. La instalacin del aerogenerador, deberhacerse en lugares donde el recurso elico seaabundante, recomendndose velocidadespromedio de 6 m/s.

7. Al ser un prototipo, el costo del aerogeneradorya instalado es considerable, superando

incluso a algunos modelos ms eficientes ypequeos.

8. Se requieren ms estudios para verificar lainfluencia de la carcaza aerodinmica sobre laeficiencia del sistema.

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diseÑo y construcciÓn de un prototipo aerodinÁmico de aerogenerador a sotavento de 80w

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