tesis de cegv tsu 50

7/25/2019 Tesis de Cegv Tsu 50

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Diseño en 3D de un molino de

viento.



CONTENIDO

Dedicatorias .....................................................¡Error! Marcador no definido.

I. Introducción ...............................................¡Error! Marcador no definido.

1.1 Ubicación ................................................¡Error! Marcador no definido.

1.2 Misión .....................................................¡Error! Marcador no definido.

1.3 Visión ......................................................¡Error! Marcador no definido.

1.5 Valores ...................................................¡Error! Marcador no definido.

1.6 Política de calidad ................................... ¡Error! Marcador no definido.

1.7 Software..................................................¡Error! Marcador no definido.

1.8 Planteamiento del problema .................................................................. 9

2. Objetivos ................................................................................................ 10

2.1 Objetivos Generales ............................................................................ 10

2.2 Objetivos Específicos. ......................................................................... 10

3. Marco Teórico ........................................................................................... 11

3.1 Energías renovables ............................................................................ 11

3.2 Energía Solar ....................................................................................... 12

3.3 Energía Geotérmica ............................................................................. 13

3.4 Energía eólica ...................................................................................... 13

3.3 Historia del aprovechamiento eólico .................................................... 14

3.4 Aplicaciones prácticas ......................................................................... 16

3.4.1 Bombeo de agua .............................................................................. 16

3.5 Elementos de un molino de viento. ...................................................... 19

3.6 Viabilidad de la utilización de energía eólica para bombeo ................. 21

3.7 Ventajas de la energía eólica ............................................................... 22

3.8 Desventajas de la energía eólica ......................................................... 23



3.8.2 Efectos sobre la avifauna.................................................................. 24

3.8.3 Impacto visual................................................................................ 24

3.9 Tipos de Turbinas Eólicas.................................................................... 25

3.9.1

Turbina de eje vertical ............................................................... 25

3.9.2 Rotor de eje horizontal .............................................................. 27

3.9 La torre y sus tipologías ....................................................................... 29

3.10 Configuraciones de torres .................................................................. 30

3.10.1 Torre de celosía........................................................................... 30

3.10.2 Torre tubular de acero atirantada ................................................ 31

3.11 Cimentación ....................................................................................... 34

4. Desarrollo ............................................................................................... 35

4.1 Estudio de terreno .................................. ¡Error! Marcador no definido.

4.1.1 Parametros ....................................................................................... 36

4.2 Geometría de la torre ........................................................................... 36

4.3 Zona Rural ........................................................................................... 37

4.4 Zona Urbana ........................................................................................ 37

4.5 Obstáculos de los alrededores: ........................................................... 37

4.6 Geometría y Tipología ......................................................................... 38

5. Resultados ................................................................................................ 38

5.1 Diseño de la torre ............................................................................. 38

5.1.1 Diseño en CATIA .............................................................................. 39

5.2 Diseño de las aspas ......................................................................... 55

5.2.1 Diseño de aspas en CATIA............................................................... 56

5.4 Diseño de trasmisión ........................................................................ 69

5.4.1 Diseño en CATIA .............................................................................. 69

5.5 Diseño de Bomba ............................................................................. 83

4.4.6 Sistema de seguridad y control ..................................................... 88



4.5 Costos ....................................................¡Error! Marcador no definido.

4.5 REQUERIMIENTOS DE ENERGIA Y NECESIDADES DE BOMBEO 90

4.7 IMPORTANTES A CONSIDERAR (PARÁMETROS) ......................... 96

5 Conclusiones ................................................¡Error! Marcador no definido.

1.- Selección de materiales. ...................................................................... 97

Índice de Figuras

Figura 1 Logotipo de la empresa .....................¡Error! Marcador no definido.

Figura 2 Esquema de valores de la empresa...¡Error! Marcador no definido.

Figura 3. Elementos de un molino de viento ................................................. 19

Figura 4. Demostración del aprovechamiento de la energía eólica ....... 21

Figura 5. Rotor Darrieus ............................................................................... 26

Figura 6. Rotor Savonius .............................................................................. 27

Figura 7. Rotor Multipala. .............................................................................. 28

Figura 8. Torre de celosía. ............................................................................ 31

Figura 9 Torre tubular de acero atirantada. .................................................. 31

Figura 10 Torre de acero .............................................................................. 32

Figura 11 Torre de Hormigón. ....................................................................... 33

Figura 12 Cimentación convencional. ........................................................... 34

Figura 13 Demostración de ejemplo de los obstáculos en terreno boscoso. 38

Figura 14 Introducir nombre de la pieza. ...................................................... 39

Figura 15 Ejes disponibles para hacer el diseño. .......................................... 39

Figura 16 Diseño de ángulo en plano xy. ...................................................... 40

Figura 17 Base con estrucción. ..................................................................... 40

Figura 18 Medidas del ángulo horizontal. ..................................................... 41

Figura 19 Selección del plano para nuevo sketch. ........................................ 42

Figura 20 Nuevo perfil de desbastar. ............................................................ 42

Figura 21 Selección del plano. ...................................................................... 43

Figura 22 Medidas de los orificios. ................................................................ 44



Figura 23 Resultado final del ángulo horizontal. ........................................... 44

Figura 24 Assambly Desing. ......................................................................... 45

Figura 25 Product. ........................................................................................ 45

Figura 26 Existing component. ...................................................................... 46

Figura 27 Archivo. ......................................................................................... 47

Figura 28 Manipulación de la pieza. ............................................................. 47

Figura 29 Primer eje. .................................................................................... 48

Figura 30 Segundo eje. ................................................................................. 48

Figura 31 Resultado después de actualizar. ................................................. 49

Figura 32 Primer cara ................................................................................... 49

Figura 33 Segunda cara................................................................................ 50

Figura 34 Resultado final .............................................................................. 50

Figura 35 Muestra de compas. ..................................................................... 51

Figura 36 Compas colocado en el perfil del ángulo vertical. ......................... 51

Figura 37 Cambio de ángulo. ........................................................................ 52

Figura 38 Vista frontal de figura. ................................................................... 52

Figura 39 Vista frontal de la base. ................................................................ 53

Figura 40 Distribución de las medidas para los ángulos. .............................. 53

Figura 41. En esta imagen primero se unen los ángulos, verticales y

horizontales. ..................................................................................................... 54

Figura 42 En esta imagen se continua con la base 2 donde se realizan los

mismos pasos que en el proceso anterior. ....................................................... 55

Figura 43 Las tres bases están armada en esta imagen. ............................. 55

Figura 44 Base final, uniendo las vigas transversales. ................................. 55

Figura 45 Introducir nombre del satélite doble. ............................................ 56

Figura 46 Ejes de trabajo para el satélite doble. ........................................... 57

Figura 47 Diámetro hueco del satélite doble. ................................................ 57

Figura 48 Resultado después del pad. ......................................................... 58

Figura 49 Círculos desde el mismo centro. ................................................... 58

Figura 50 Estrucción en dos direcciones. ..................................................... 59

Figura 51 Perfil sobre nuestro plano de origen ............................................. 59

Figura 52 Resultado de nuestra estrucción................................................... 60

Figura 53 Medidas de los 4 círculos. ............................................................ 61

Figura 54 Resultado final. ............................................................................. 61



Figura 55 Herramienta MSSD. ...................................................................... 61

Figura 56 Plano donde se genera el dibujo 1................................................ 62

Figura 57 Plano donde genera el dibujo 2. ................................................... 62

Figura 58 Resultado de la herramienta Multi- Sections Solid Definition ........ 63

Figura 59 Eje que debe seguir el patrón. ...................................................... 63

Figura 60 Patrón de repetición. ..................................................................... 64

Figura 61 Resultado final de nuestro soporte de las aspas. ......................... 64

Figura 62 New Part. ...................................................................................... 65

Figura 63 Perfil base de las aspas. ............................................................... 66

Figura 64 Primer perfil del sketch ................................................................. 67

Figura 65 Segundo perfil del sketch .............................................................. 67

Figura 66 Pieza final del aspa. ...................................................................... 67

Figura 67 Assambly Design. ......................................................................... 68

Figura 68 Ensamble mediante coincidence. ................................................. 68

Figura 69 Resultado final. ............................................................................. 69

Figura 70 Primer elemento. ........................................................................... 70

Figura 71 Segundo elemento. ....................................................................... 70

Figura 72 Tercer elemento. ........................................................................... 70

Figura 73 Cuarto elemento. .......................................................................... 71

Figura 74 Quinto elemento. ........................................................................... 71

Figura 75 Sexto elemento. ............................................................................ 71

Figura 76 Ensamble de las piezas mediante constraints. ............................. 72

Figura 77 Kinematicks. ................................................................................. 72

Figura 78 Ventanas fundamentales en Kinematics ....................................... 73

Figura 79 Asembly Constraints Conversion. ................................................. 73

Figura 80 Mechanism Creation. .................................................................... 73

Figura 81 Asembly Constraints Conversion. ................................................. 74

Figura 82 Piezas separadas. ........................................................................ 74

Figura 83 Primer eje. .................................................................................... 75

Figura 84 Segundo eje .................................................................................. 75

Figura 85 Selección de cara ......................................................................... 75

Figura 86 Selección de segunda cara. .......................................................... 76

Figura 87 Resultado después de las dos juntas. .......................................... 76

Figura 88 Caras y ejes de la figura transversal. ............................................ 77



Figura 89 Ejes y caras de la figura base. ...................................................... 77

Figura 90 Resultado después de las juntas. ................................................. 77

Figura 91 Ejes seleccionados para crear juntas. .......................................... 78

Figura 92 Rango del ángulo de la junta cilíndrica. ........................................ 78

Figura 93 DMU Generic Animation. .............................................................. 78

Figura 94 Inició de la simulación. .................................................................. 79

Figura 95 Ventana de Edit Simulation. .......................................................... 79

Figura 96 Ventana de Simulation. ................................................................. 79

Figura 97 Movimiento de la pieza. ................................................................ 80

Figura 98 Interpolation Step. ......................................................................... 80

Figura 99 Compile Simulation. ...................................................................... 81

Figura 100 Guardar el archivo. ..................................................................... 81

Figura 101 Compile Simulation. .................................................................... 82

Figura 102 Simulation Replayer. ................................................................... 82

Figura 103 Funcionamiento de manivelas. ................................................... 83

Figura 104 Funcionamiento de manivelas 2. ................................................ 83

Figura 105 Introducir el nombre de la pieza 2. .............................................. 84

Figura 106 Ejes disponibles para el engrane azul. ....................................... 84

Figura 107 Diametros para círculos. ............................................................. 85

Figura 108 Pieza en tres dimensiones. ......................................................... 85

Figura 109 Vastago. ...................................................................................... 86

Figura 110 Coladera de nuestra bomba. ..................................................... 86

Figura 111 Tapadera de vástago. ................................................................. 87

Figura 112 Tapadera de la coladera. ............................................................ 87

Figura 113 Resultado del ensamble de la bomba. ........................................ 88

Figura 114 Succión de agua. ........................................................................ 88

Figura 115 Expulsión de agua. ..................................................................... 88



Resumen

En este proyecto se diseñó un sistema de suministro de agua que se

obtendrá del subsuelo o de una cisterna de agua para almacenarla en un

contenedor más alto, mediante un mecanismo que funcione mediante energíasrenovables. El diseño se realizara en el software CATIA mediante el cual

encontramos soluciones muy efectivas que se podrán utilizar para el análisis,

animación y principalmente el diseño en 3D del proyecto.

Para este proyecto primero se presentan brevemente los antecedentes que

preceden al diseño del proyecto, ya que con estos se podrá seleccionar los

materiales y por consiguiente los costos que para la creación de dicho

proyecto.

Mediante toda la investigación se toman diferentes parámetros con los cuales

se empleen formulas y resultados concretos para poder tener un sistema viable

y su construcción a futuro.

El diseño se realizó mediante herramientas básicas, y se escribieron los

pasos para comprender más a fondo la utilización de dicho software. Las

imágenes son claras y concisas donde se muestra su objetivo y la

demostración de las instrucciones escritas, con esto se podrá entender

claramente que es lo que se hace en cada paso.

Al final del proyecto se puede ver los resultados obtenidos como lo es el

costo, los materiales, su instalación y además los parámetros a tomar en

cuenta antes de su construcción.

Mediante este proyecto se podrá tener una visión del diseño del mecanismo,la simulación y su análisis, así como los estudios y conceptos que preceden a

su creación, logrando así tener una perspectiva de mayor calidad para tener un

análisis de lo que se requiere antes y después de su creación.



1.8 Planteamiento del problema

La utilización de las energías renovables así como las energías naturales, nos

permiten el ahorro y costo de producción de energía eléctrica o combustibles,

además de que es una gran oportunidad para generar nuevos proyectos de bajo

costo. En este caso se pretende aprovechar la energía eólica y así echar a andar

un molino, el cual será de gran utilidad para abastecer de agua un tanque y con

esto ya no será necesaria la toma de energía eléctrica. Se diseñara un modelo

que aproveche el viento para poder almacenar energía o en su defecto poder

crear movimiento mecánico para hacer funcionar un cilindro que suministre el

líquido.

El proyecto se diseñara en un software 3D CATIA, el cual será de gran ayuda

para poder crear su diseño, y armado del molino de viento o aerogenerador. Las

energías naturales pueden ser de gran utilidad en nuestra época solo faltan

grandes mentes que las aprovechen y además que les puedan dar una gran

función, siempre viendo el cuidado del medio ambiente y además la solución de

problemas para la comodidad humana.



2. OBJETIVOS

2.1 Objetivos Generales

El objetivo general del proyecto es el diseño de un mecanismo que pueda

suministrar un depósito de agua, analizando diversos aspectos que contribuyen a

dicho diseño, buscando una solución constructiva en la que la simplicidad y la

ligereza sean factores prevalecientes.

2.2 Objetivos Específicos.

Mediante la consulta de un mapa eólico, seleccionar un emplazamientoadecuado para la instalación del mecanismo y, principalmente, para emplear los

datos de viento específicos en el cálculo y diseño de éste.

Elegir el material más adecuado, así como la geometría y la tipología de

la torre, para la construcción y diseño del mecanismo, buscando la rigidez

y la ligereza al mismo tiempo.

Definir los estados de carga a los que está sometido el mecanismo para

poder realizar una modelización lo más real posible.

Realizar un diseño y ensamble de ser necesario de la torre, así como del

mecanismo.

Comprobar el nivel de suministro así como la funcionalidad de este, de

manera que sea fiable su creación.

Se establecerán los cálculos de la potencia que se necesita para poner en

funcionamiento este mecanismo.

Se realizaran los cálculos pertinentes para saber qué tan eficiente es elmecanismo, así como su costo y su rentabilidad.



3. MARCO TEÓRICO

3.1 Energías renovables

El espectacular desarrollo tecnológico experimentado, la globalización, la

aceleración de la innovación, etc., están generando una serie de cambios queinfluyen en las tendencias y hábitos de la población.

Dentro de esta situación de cambio cabe destacar un aspecto que podemos

denominar como “despertar ambiental” y que podemos entender como un proceso

mediante el cual la población comienza a tener conciencia que se ha generado

una serie de problemas graves en relación con el medio ambiente natural debido a

las nuevas condiciones de vida.

Surge de esta manera una preocupación por la naturaleza, asumiendo como un

error que la sociedad se vea separada de la misma, y la considere como una mera

fuente de recursos, circunstancia que se ve unida a una preocupación por

aspectos tales como la calidad de vida o el deterioro del medio ambiente. Aparece

con fuerza la idea de que el hombre, en su contacto con la naturaleza, debe actuar

como dueño y custodio, inteligente y noble, y no como explotador y destructor sin

ningún reparo.

El desarrollo sostenible, como aquel conjunto de actuaciones inspiradas en la

intención de sintonizar la faceta mercantil, se busca el sistema que permita una

producción que preserve la naturaleza, ordenando los territorios y permitiendo un

desarrollo integrado.

Esta corriente de cambios y nuevas necesidades afecta a todos los sectores y

niveles de la sociedad, pero de modo muy significativo, al capítulo energético.

Resulta necesario involucrar y responsabilizar a los ciudadanos en la gestión de

la energía, puesto que estudios de la Unión Europea han puesto de manifiesto que

no se podrá llegar a una reducción de las emisiones de CO2 actuando únicamente

sobre la producción de energía, por lo que resulta fundamental orientar las



políticas de ahorro energético y conservación del medio ambiente a la

sensibilización de la demanda.

En la actualidad cada vez cobran mayor fuerza e importancia las energías

renovables o energías limpias, que aportan contribuciones beneficiosas a la dobleproblemática del aumento del consumo y de la protección del medio ambiente, por

lo que a pesar de lo incipiente de su estado de desarrollo, constituyen un factor

importante que debe ser potenciado y desarrollado.

Por todo ello surge con fuerza la idea de hacer compatible el desarrollo

económico y la preservación del medio ambiente, dentro de lo que se viene en

denominar desarrollo sostenible y dónde las energías renovables están llamadas a

ocupar un papel de especial relevancia para la consecución en un futuro a cortoplazo de los intereses que se pretenden. Las energías renovables se pueden

encontrar en diferentes formas como lo es la energía eólica, geotérmica,

hidroeléctrica, mareomotriz, solar, undimotriz, la biomasa y los biocarburantes.

A continuación se describe cada una de las energías ya mencionadas:

3.2 Energía Solar

La energía geotérmica es una energía renovable que se obtiene mediante el

aprovechamiento del calor del interior de la Tierra.

El interior de la Tierra está caliente y la temperatura aumenta con la

profundidad. Las capas profundas, pues, están a temperaturas elevadas y, a

menudo, a esa profundidad hay capas freáticas en las que se calienta el agua: al

ascender, el agua caliente o el vapor producen manifestaciones en la superficie,

como los géiseres o las fuentes termales, utilizadas para baños desde la época de

los romanos. Actualmente, el progreso en los métodos de perforación y bombeo

permiten explotar la energía geotérmica en numerosos lugares del mundo.



3.3 Energía Geotérmica

La energía geotérmica es una energía renovable que se obtiene mediante el

aprovechamiento del calor del interior de la Tierra.

El interior de la Tierra está caliente y la temperatura aumenta con laprofundidad. Las capas profundas, pues, están a temperaturas elevadas y, a

menudo, a esa profundidad hay capas freáticas en las que se calienta el agua: al

ascender, el agua caliente o el vapor producen manifestaciones en la superficie,

como los géiseres o las fuentes termales, utilizadas para baños desde la época de

los romanos. Actualmente, el progreso en los métodos de perforación y bombeo

permiten explotar la energía geotérmica en numerosos lugares del mundo.

3.4 Energía eólicaLa energía eólica es una forma de energía solar. Cuando áreas de la tierra se

calientan el aire caliente sube y masas de aire frío corren para reemplazarlo. Ese

aire en movimiento, el Viento, es capaz de producir energía eléctrica mediante un

dispositivo mecánico complejo, el cual es objeto de este PFC, y por tanto será

detallado a un Molino de viento.

Así, estamos ante la Energía Eólica.

Se estima que la energía contenida en los vientos es aproximadamente el 2%

del total de la energía solar que alcanza la tierra, lo que supone casi dos billones

de toneladas equivalentes de petróleo al año (200 veces mayor de la que

consumen todos los países del planeta), aunque en la práctica solamente podría

ser utilizada una parte muy pequeña de esa cifra, por su aleatoriedad y dispersión,

del orden del 5%. La cantidad de energía que ello representa hace de la energía

eólica una de las fuentes de energía renovables con mayor potencial.

Las diferencias de insolación entre distintos puntos del planeta generan

diferentes áreas térmicas, y los desequilibrios de temperaturas se traducen en

variaciones de presión. El aire, como cualquier gas, se mueve desde las zonas de

alta presión a las de baja presión. Durante el día, el agua de los océanos



permanece relativamente más fría que la superficie terrestre. De la radiación solar

que incide sobre la superficie del agua se emplea parte en calentamiento, y parte

en evaporación; pero debido a la gran capacidad del agua para absorber calor, la

temperatura en las capas superficiales apenas varía y lo mismo ocurre con la

temperatura del aire que se encuentra en contacto con ellas. Sobre la tierra, en

cambio, la radiación solar que se recibe sobre el suelo se traduce en una

elevación de la temperatura, tanto de la corteza terrestre como del aire

circundante.

El aire caliente se dilata, pierde presión y es remplazado por el aire fresco que

viene del mar. Durante la noche el ciclo se invierte. La corteza se enfría más

rápidamente, mientras que el agua del mar conserva mejor el calor acumulado a lo

largo del día. En las montañas ocurre un proceso parecido.

Unas laderas reciben más insolación que otras, en función de su orientación y

pendiente. El calentamiento del suelo es desigual, y los desplazamientos del aire

tienden a compensar las diferencias de presión.

A escala planetaria, la zona ecuatorial recibe la máxima radiación solar,

mientras que en las zonas polares apenas se perciben sus efectos. En una Tierra

sin rotación, las diferencias térmicas y de presión entre la zona ecuatorial y laspolares producirían un movimiento circulatorio del aire. Sin embargo, al considerar

el movimiento de rotación de la Tierra, el modelo de circulación global del aire

sobre el plante se complica .En el hemisferio norte, el movimiento del aire en las

capas altas de la atmósfera tiende a desviarse hacia el este, por efecto de las

fuerzas de inercia de Coriolis, y en las capas bajas tiende a desviarse hacia el

oeste. En el hemisferio sur ocurre al contrario.

3.3 Historia del aprovechamiento eólico

Las primeras referencias que se tienen con respecto al aprovechamiento de la

energía eólica son unos grabados egipcios sobre navegación a vela del cuarto o

quinto milenio a.C. Los molinos de viento debieron conocerse algo más tarde, tal

vez hacia el tercer milenio a.C. y probablemente en el área de Mesopotamia,



aunque no existe ninguna prueba de ello.

La primera referencia histórica sobre una posible aplicación de la energía eólica

que no fuera la navegación, data del año 1700 a.C., siendo los babilonios los

pioneros en utilizar molinos de viento para bombear agua con el fin de regar sus

campos.

El primer molino de viento de aplicaciones utilitarias que se conoce con cierto

detalle es el molino persa de eje vertical. Este molino se empleaba para moler

grano y fue de uso corriente en la antigua Persia, posiblemente varios siglos antes

de nuestra era. La aparición de este molino debió tener alguna relación con las

ruedas hidráulicas que, sin duda, existieron con anterioridad.

Hasta el siglo X no es posible encontrar un documento histórico irrefutable en elque se haga mención de los molinos de viento como práctica generalizada.

Muchos historiadores han dejado abundantes textos en los que se hace constante

referencia a estas máquinas.

A partir del siglo XI-XII la aplicación de los molinos de viento se desarrolla por

dos canales aparentemente sin ninguna relación entre sí. El primero de ellos se

extiende a través de la civilización islámica, que ocupa todo el Mediterráneo

meridional, llegando hasta la mitad sur de la Península Ibérica. El segundo canalaparece en la zona norte de Francia, Inglaterra y Países Bajos, donde pudo haber

llegado a través de los cruzados que vuelven de Palestina, o bien, haber surgido

espontáneamente.

El molino mediterráneo, con su característico rotor a vela, se utilizó para moler

grano y para bombear agua en toda la extensión del imperio musulmán, aunque

con las diferencias propias de cada región en lo que se refiere a los métodos y

detalles constructivos.

Los primeros molinos de grano eran unas rudimentarias máquinas con un rotor

fijo, sin posibilidad de orientarse en la dirección del viento. Con el tiempo estos

molinos se fueron perfeccionando hasta convertirse en los clásicos de tipo torre.



Esta, construida en mampostería, estaba coronada por una cúpula orientable

donde se alojaban el eje, los engranajes y demás mecanismos que transmitían el

movimiento a las muelas, situadas en un nivel inferior. A este tipo de molinos

pertenecen los llamados “molinos ibéricos”, que se extendieron por toda la cuenca

meridional del Mediterráneo, hacia los siglos XII y XIII, alcanzando los reinos del

sur de la Península Ibérica.

El típico molino manchego y mallorquín, tienen evidentes raíces en el molino

mediterráneo, especialmente en la ejecución de la torre. Sin embargo, la forma y

construcción de las palas es más bien de tipo europeo. Ambos tipos de molinos

constituyen un nexo de unión entre las dos culturas.

En Europa, el molino de viento aparece a mediados del siglo XII, a partir del cualse pueden encontrar innumerables referencias relacionadas con los molinos.

Aunque la aparición de los molinos en Europa pudiera estar relacionada con las

Cruzadas, como ya se indicó anteriormente, muchos autores defienden que

Europa tenía, por esta época, la suficiente capacidad técnica para haber

desarrollado un molino de viento a partir de mejoras realizadas en los molinos

hidráulicos.

En cualquier caso, los primeros molinos europeos llevaban un rotor de cuatroaspas de entramado de madera recubierto de tela.

3.4 Aplicaciones prácticas

Como se mencionó anteriormente los molinos de viento se utilizan en la

actualidad para el bombeo de agua, especialmente en zonas rurales, y para la

generación de electricidad.

3.4.1 Bombeo de agua

Una bombeadora de agua es un molino con un elevado momento de torsión y

de baja velocidad, se usan con mayor frecuencia en las regiones rurales. Las

bombeadoras de agua se emplean sobre todo para drenar agua del subsuelo.



Estas máquinas se valen de una pieza rotatoria, cuyo diámetro suele oscilar entre

2 y 5 m, con varias aspas oblicuas que parten de un eje horizontal. La pieza

rotatoria se instala sobre una torre lo bastante alta como para alcanzar el viento.

Una larga veleta en forma de timón dirige la rueda hacia el viento. La rueda hace

girar los engranajes que activan una bomba de pistón. Cuando los vientos soplan

en exceso, unos mecanismos de seguridad detienen de forma automática la pieza

rotatoria para evitar daños en el mecanismo.

Para el bombeo de agua mediante la energía eólica, pueden emplearse dos

formas básicas:

Bombeo mecánico

Bombeo eléctrico

Una de las formas para el bombeo del agua en forma mecánica, consiste en la

utilización de una bomba a pistón, que provoca la aspiración en la tubería

sumergida y la expulsión hacia un depósito de acumulación. Es necesario para

lograr este objetivo, conectar la bomba a un dispositivo o engranaje diseñado

especialmente. En general es preferible que el bombeo se efectúe en forma lenta,

a fin de reducir al mínimo la resistencia a la circulación del agua por las cañerías.

Por ello en la aplicación mecánica de los sistemas eólicos para bombear el

agua, no se requiere una velocidad de giro del rotor elevada, debiendo contar, sin

embargo, con un alto par de arranque, para vencer la inercia del equipo. Los

molinos tipo multipalas convencionales, cumplen con estas condiciones contando

con un alto par de arranque. Como elemento referencial se consigna en el cuadro

siguiente la capacidad de un molino de viento para elevación del agua a distintas

alturas, considerando un viento tipo de 26 Km. por hora. Ver tabla 1.



Tabla 1. Capacidad de molinos de viento para elevación de agua.

Capacidad de molinos de viento para elevación de agua

Diametro

(m)

Veloc.

Viento

(Km/h)

Revoluc.

Por min.

L/min. De agua elevados a una altura de m.

7.5 15 22.5 30 45 60

2.6 26 45 23 11 … … … …

3 26 40 72 36 25 18 … …

3.6 26 35 128 68 45 32 22 …

4.3 26 30 171 85 60 43 30 19

4.9 26 25 245 120 74 61 37 31

5.5 26 23 370 197 123 92 66 46

6.1 26 21 473 241 154 118 73 60

7.6 26 17 804 405 271 188 141 101

Desde un punto de vista práctico, es el contenido energético del viento lo que

interesa aprovechar. Con respecto a ello hay que decir que la cantidad de energía

que posee el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento. O lo que es

lo mismo, la energía cinética de una masa de aire que se desplaza viene

determinada por la llamada <<Ley del cubo>>.

E = ½·ρ ·A· v3 (1)

siendo:

E = energía por unidad de tiempo (W, vatios)

A = área interceptada (m2)

ρ = densidad del aire (Kg/m3

)

v = velocidad del viento (m/s)



El contenido energético del viento depende de la densidad del aire y de su

velocidad. La mejor forma de medir la velocidad del viento en una futura

localización de una turbina eólica es situar un anemómetro en el extremo superior

de un mástil que tenga la misma altura que la altura de buje esperada de la turbina

que se va a utilizar.

Esto evita la incertidumbre que conlleva tener que calcular la velocidad del

viento a una altura diferente.

3.5 Elementos de un molino de viento.

Los componentes de un molino de viento tradicional son: Rotor, Caja de

engranes, base, y bomba, como se muestra en la Figura 3.

Figura 1. Elementos de un molino de viento

Rotor

Contiene los componentes básicos del molino de viento, incluyendo la caja deengranes, las aspas, la veleta, y la trasmisión de energía para funcionar la bomba.

El personal de servicio puede tener acceso a este lugar para dar mantenimiento

mediante una escalera adaptada a un costado de uno de los ángulos de la base.



La torreLa torre soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de

una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos

del nivel del suelo. Por otro lado el mayor coste de la torre (asociado a su mayor

altura y resistencia estructural), hace que exista un compromiso de diseño.

Como referencia se puede señalar que el molino a diseñar será de 12 metros de

altura con una composición de 3 bases, de 3 metros cada base, la cual podrá

adaptarse a lugares demasiado altos o demasiado bajos.

Las torres pueden ser bien torres tubulares o torres de celosía. La principal

ventaja de las torres de celosía es que son más baratas.

Sistema de engranes

La caja de engranes está compuesta por un sistema similar al diferencial de un

automóvil, ya que con esto podemos dar paso al llenado del depósito cuando este

se encuentra vacío y cerrar la trasmisión de potencia cuando el estanque se

encuentra lleno. Con esto también evitaremos la descomposición de las aspas por

freno o vientos turbios.

Bomba

La bomba es la encargada de suministrar el agua de un pozo o brida y enviarlo

mediante un bombeo a un suministro de agua, está diseñada de tal manera que

cuando el agua entra no pueda volver a su lugar de origen, logrando empujar el

agua a niveles más altos para así salir por el escape.

Estanque de almacenamiento

El estanque de almacenamiento tiene que estar a una altura mayor que la de

bombeo, entre más altura se le puede dar a este depósito mejor será el

rendimiento de suministro ya que una vez almacenado este podrá suministrar

otros recursos utilizando la gravedad como fuerza de presión de salida.

Vida útil y mantenimiento



El molino de viento es un mecanismo convencional el cual no requiere de mucho

mantenimiento, ya que la caja de engranes que es la que más corre el riesgo de

dañarse contiene en su parte inferior un almacén de aceite el cual lubrica

automáticamente el sistema de engranaje, la bomba está sujeta por un costado de

la estructura la cual no tendrá un momento de torsión tan grave, un ángulo tendrá

adaptada en su costado una escalera para cualquier avería en la parte del rotor o

las aspas. Con todo esto se logró minimizar el coste de mantenimiento y

reposición de piezas.

3.6 Viabilidad de la utilización de energía eólica para bombeo

Asumiendo que se dispone de las diversas opciones para el bombeo de agua

(como aerobombas, bombas fotovoltaicas, motobombas y aún bombas de mano

Ver Figura 4), la pregunta siempre será: ¿Cuál de las alternativas de suministro de

agua es el más confiable y de más bajo costo?

Figura 2. Demostración del aprovechamiento de la energía eólica

La respuesta acertada a esta pregunta depende de diversos parámetros que

varían de lugar en lugar debido a la variación de la potencia eólica, además de

otros factores como pueden ser los costos de importación, costos de

combustibles, disponibilidad de la tecnología, costos laborales, subsidios, etc.

Para la determinación de la eficiencia en uso de aerobombas es importante

entonces conocer:



Promedio diario de energía hidráulica requerida para cada mes del año,expresada como m4/día.

Velocidad de viento promedio a lo largo del año. Identificar el mes critico – mes en el cual la demanda de energía

hidráulica es la más alta, su comparación con el potencial de viento

disponible para dicho mes.

Esta comparación permite identificar el mes crítico o de diseño para la selección

de equipos. Por ejemplo, en abastecimiento de agua limpia para uso doméstico,

en el cual generalmente la demanda de energía es relativamente constante, el

mes critico será aquel donde la velocidad promedio mensual sea la más baja.

Adicionalmente si se requiere dotar el sistema con un tanque de

almacenamiento de agua, se deberá determinar el periodo en días más largo en elcual la velocidad del viento es muy baja para accionar la aerobomba.

3.7 Ventajas de la energía eólica

En la actualidad se está llegando al límite de la capacidad de los ecosistemas para

regenerarse de la contaminación producida por el hombre. Un tercio del total de la

contaminación generada a escala mundial procede del proceso de producción de

electricidad o de la quema de combustibles para echar a andar maquinaria. El

desarrollo de las fuentes de energías renovables es deseable y necesario.

De este modo, se pueden enumerar una serie de razones de peso que suponen

la utilización del viento para aerobombeo:

Generar energía mecánica sin que exista un proceso de combustión o una

etapa de transformación térmica supone, desde el punto de vista

medioambiental, un procedimiento muy favorable por ser limpio, exento de

problemas de contaminación, etc. Se suprimen radicalmente los impactos

originados por los combustibles durante su extracción, transformación,

transporte y combustión, lo que incide beneficiosamente en la atmósfera, el

suelo, el agua, la fauna, la vegetación, etc.



La utilización de la energía eólica para el aerobombeo presenta nula

incidencia sobre las características fisicoquímicas del suelo o su

erosionabilidad, ya que no se produce ningún contaminante que incida sobreeste medio, ni tampoco vertidos o grandes movimientos de tierras.

Al contrario de lo que puede ocurrir con las energías convencionales, la

energía eólica no produce ningún tipo de alteración sobre los acuíferos ni por

consumo, ni por contaminación por residuos o vertidos.

La energía eólica es inagotable e independiente de cualquier política o

relación comercial. La energía se obtiene en forma mecánica y por tanto es

directamente utilizable.

La extracción de agua de la tierra es totalmente natural sin causar daños almedio ambiente, además que se obtiene un recurso natural si gastos por suadquisición.

El mecanismo tiene sistemas de autoprotección, lo que hace que elmantenimiento no sea tan constante, y su vida útil sea larga.

Una vez instalado el generador eólico, éste nos ofrecerá un suministro deaerobombeo garantizado y gratuito durante muchísimos años de servicio.

3.8 Desventajas de la energía eólica

Las posibles afecciones de un proyecto eólico en el medio ambiente deben ser

analizadas con la realización de un estudio de impacto ambiental. Estas

afecciones provocadas por la energía eólica tienen efectos localizados y

reversibles, los cuales se pueden superar mediante soluciones técnicas y no

representan un peligro serio para el medio ambiente. Existen efectos comunes a

las instalaciones eólicas, que pueden sintetizarse en los siguientes aspectos:

impacto sobre la flora, efectos sobre la avifauna, impacto visual y ruido. En

principio, las zonas naturales protegidas deberían quedar al margen del desarrollo

de la energía eólica.

3.8.1 Impacto sobre la flora y erosión



Dependiendo de las condiciones climáticas y de la magnitud de las instalaciones

eólicas, pueden aparecer problemas de erosión. Este supuesto debe ser tenido en

cuenta en las primeras fases de desarrollo del proyecto con vistas a realizar los

pertinentes estudios de hidrología y pluviometría, trazado de caminos, análisis de

vaguadas y cursos de agua. Así se minimizará su incidencia.

3.8.2 Efectos sobre la avifauna

En el caso de la avifauna (exceptuando planeadoras) que vive normalmente en

una zona con aerogeneradores, el peligro de choque es relativamente bajo, ya que

los pájaros aprenden a evitar los obstáculos existentes en su propio territorio. Para

las aves migratorias diurnas el peligro de colisión es insignificante (con buenas

condiciones climatológicas), ya que suelen divisar el obstáculo y modifican su ruta

de vuelo a gran distancia de los parques eólicos. Las migratorias nocturnas sí

parece que pueden tener mayores problemas de colisión especialmente

concentradas en las denominadas “noches catastróficas”. En condiciones

adversas, los pájaros a veces descienden a menores alturas, aumentando

entonces el peligro de colisión. Parece también que, al pasar por zonas costeras,

las aves migratorias vuelan mucho más bajo. Existen evidencias de que puedan

desorientarse por la luces.

3.8.3 Impacto visual

La percepción del ser humano sobre el medio ambiente es un complejo proceso

en el que interaccionan el observador y la realidad física observada. La realidad

física se registra por los órganos de los sentidos. Los impulsos son interpretados y

valorados según el conocimiento, experiencia y expectativas almacenadas en

nuestro cerebro. Este es el proceso de percepción. El factor tiempo también debe

ser tenido en cuenta. Cuando se adquieren nuevos conocimientos y experiencias,

nuestras expectativas pueden ser modificadas. En este caso se recomienda no

poner más de 3 molino de viento, ya que obstruiría mucho la vista panorámica.



3.9 Tipos de Turbinas Eólicas

Una primera clasificación de las turbinas eólicas se puede realizar atendiendo al

tipo de rotor eólico y la disposición de su eje de giro. Así las turbinas se clasifican

en turbinas con rotor de eje vertical y turbinas con eje de rotor horizontal.

3.9.1 Turbina de eje vertical

En las clásicas norias de agua, el agua llegaba en ángulo recto respecto al eje

de rotación de la noria. Los aerogeneradores de eje vertical son en ese sentido

como las norias, es decir, su característica principal es que el eje de rotación se

encuentra en posición perpendicular al suelo. Son también llamados “VAWTs”,

que corresponde a las siglas de la denominación inglesa “Vertical Axis Wind

Turbines”.

Las principales ventajas teóricas de una máquina de eje vertical son:

Puede situar el generador, el multiplicador, etc., en el suelo.

No necesita un mecanismo de orientación para girar el rotor en contra del

viento.

Y sus principales desventajas son:

Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por lo

que sus velocidades de viento en la parte más inferior de su rotor serán

muy bajas.

La eficiencia media de las máquinas de eje vertical no es muy buena.

Para sustituir el cojinete principal del rotor se necesita desmontar el rotor

y, en el caso de máquinas de eje vertical, implica que toda la máquina

deberá ser desmontada.

Los diseños más conocidos de eje vertical son los rotores de tipo Darrieus y los

rotores tipo Savonious. También existe, aunque menos conocido, el tipo

Panémonas.

Rotores Darrieus



La máquina Darrieus es la única turbina de eje vertical que se ha

comercializado. Ésta debe su nombre al ingeniero francés Georges Darrieus,

quien patentó el diseño en 1931. La máquina Darrieus se caracteriza por sus palas

en forma de C, que la hacen asemejarse a un batidor de huevos, como se muestra

en la Figura 5.

Figura 3. Rotor Darrieus

Normalmente se construye con dos o tres palas. Su rendimiento y velocidad de

giro son comparables a las aeroturbinas de eje horizontal, sin embargo presenta

algunas desventajas como son: ausencia de par de arranque, lo que hace

necesario motorizar la turbina para que comience a girar y empleo de tensores

adicionales para garantizar la estabilidad estructural de la máquina. Además, cada

una de las palas de este tipo de máquina está sometida a fluctuaciones de par

elevadas debido al efecto de sombra de torre.

Rotores Savonius

Otro tipo de turbina de eje vertical desarrollada en Finlandia por S.J. Savonius,

es la turbina que lleva su nombre, rotor tipo Savonius. Se caracteriza por disponer

de dos palas que son las mitades de un cilindro cortadas por una generatriz y

desplazadas lateralmente, como se muestra en la Figura 6. Tienen la ventaja de



ofrecer par de arranque y se pueden construir fácilmente, pero su bajo rendimiento

y su reducida velocidad de giro hacen que sus aplicaciones se limiten a bombeo

de pistón.

Figura 4. Rotor Savonius

Rotores Panémonas

Estos rotores se componen de cuatro o más semicírculos unidos al eje central.

Su rendimiento es bajo. En el s. V a. C. se encuentran los primeros aeromotores

en Asia: son máquinas de eje vertical iguales a las denominadas panémonas de

algunas islas griegas. Los chinos utilizaban desde tiempos inmemoriales estosmolinos de viento, que se usaban para bombear el agua en las salinas, e incluso

algunos historiadores apuntan hacia la posibilidad de que pudieron ser los

precursores de los molinos persas. Los panémonas eran de eje vertical y sus

palas estaban construidas a base de telas sujetas a largueros de madera. La

posición de las palas podía variarse para regular la acción del viento sobre el

molino.

3.9.2 Rotor de eje horizontal

Rotores Multipala. Aeroturbinas lentas



Los rotores multipala (Figura 7) se caracterizan por tener un número de palas

que puede variar de 5 a 24 y por lo tanto una solidez elevada. Presentan elevados

pares de arranque y una reducida velocidad de giro. La velocidad lineal en la

punta de la pala de estas máquinas, en condiciones de diseño, es del mismo

orden que la velocidad del viento incidente. Estas características hacen que la

aplicación fundamental de estas turbinas haya sido tradicionalmente el bombeo de

agua.

Figura 5. Rotor Multipala.

Rotores tipo hélice. Aeroturbinas rápidas.

Los rotores tipo hélice giran a una velocidad mayor que los rotores multipala. La

velocidad lineal en la punta de la pala de estas máquinas varía en un margen de 6

a 14 veces la velocidad del viento incidente en condiciones de diseño. Esta

propiedad hace que las aeroturbinas rápidas sean muy apropiadas para la

generación de energía eléctrica, ya que el elemento mecánico que acondiciona la

velocidad de giro de la turbina con la velocidad del generador es menor en tamaño

y coste. Los rotores tipo hélice presentan un par de arranque reducido que, en la

mayoría de las aplicaciones, es suficiente para hacer girar el rotor durante elproceso de conexión.



Dentro de los rotores tipo hélice pueden clasificarse atendiendo a distintos

criterios: por la posición del equipo con respecto del viento y por el número de

palas.

3.9 La torre y sus tipologíasLa torre es uno de los principales componentes de una turbina de eje horizontal.

Esta circunstancia es a la vez una ventaja y una desventaja.

Uno de los parámetros de diseño más importantes de la torre es lógicamente su

altura. Cuanto mayor es la altura de la torre, la producción de energía de la turbina

aumenta siempre que el perfil vertical de la velocidad del viento en el

emplazamiento sea creciente. Sin embargo, un aumento de la altura de la torre

implica un aumento del coste del componente y una mayor dificultad para lainstalación de equipo. Teóricamente la óptima altura de la torre resulta del punto

dónde se cruzan la construcción de las dos funciones: coste y rendimiento.

Desafortunadamente, este punto de intersección no puede ser indicado por una

fórmula general válida. Así pues, la elección de la altura de la torre responde a una

solución de compromiso entre las ventajas e inconvenientes que supone aumentar

este parámetro de diseño. En las turbinas más grandes, los costes de

construcción aumentan más rápidamente con la altura de la torre que en laspequeñas turbinas. Los materiales válidos para la construcción son el hormigón o

el acero; en el segundo caso la estructura varía desde celosías, hasta torres

tubulares, con o sin tirantes.

Después de la altura, la rigidez es el segundo parámetro de diseño importante

de una torre, que debe presentar una rigidez suficiente para soportar las cargas de

empuje transmitidas por el rotor eólico, y por supuesto, las cargas que ejerce el

viento a lo largo de la torre.



3.10 Configuraciones de torres

Los más antiguos aerogeneradores, los molinos de viento, no tenían torres sino

el habitáculo del molino, como ya se ha visto anteriormente. En relación al

diámetro del rotor tenían una baja y voluminosa construcción, en concordancia

con su función de “habitación de trabajo”; la necesaria rigidez era así una

circunstancia dada. Pronto, sin embargo, se reconoció la ventaja del aumento de

la altura, y el molino en sí empezó a ser más esbelto y con más apariencia de

torre. Pero sólo en una moderna construcción usaron mástiles o torres cuya única

función era soportar el rotor y los componentes mecánicos de la parte superior de

la torre.

Como consecuencia de este desarrollo, los diseños y materiales de las torres

aumentaron en variedad. Acero y hormigón tomaron el lugar de las construcciones

de madera. Hoy en día hay cuatro básicos conceptos de torre:

3.10.1 Torre de celosía

El más simple método para construir una alta y rígida torre es una celosía

tridimensional, así, son llamadas torres de celosía (Figura 8). Este tipo de torre

consiste en una estructura metálica en la que se sustenta el rotor eólico y los

componentes mecánicos de la transmisión. Las torres de celosías fueron entonces

los diseños preferidos para las primeras pruebas de turbinas y continúan siéndolo

para las más pequeñas turbinas en algunos casos hoy. Alrededor de una altura de

30 metros, la celosía es una práctica común. Presentan la ventaja de tener un

coste reducido, pero tienen una accesibilidad compleja que dificulta las tareas de

mantenimiento. El impacto visual de las torres de celosía es elevado a distancias

cercanas a la torre, sin embargo este tipo de torre se confunde con el horizonte

cuando la máquina se observa a una distancia suficientemente lejana.

Ocasionalmente, esta ventaja es considerada más importante que el impacto

estético cercano. Este tipo de torres tiene una mayor fuerza contra fuertes

corrientes de aire ya que siendo bien posicionada será muy resistente. Además de

una construcción más fácil y eficaz, es sin duda hoy en día una de las mejores

maneras de construcción de torres.



Figura 6. Torre de celosía.

3.10.2 Torre tubular de acero atirantada

Las máquinas con rotor a sotavento permiten torres tubulares de acero más

esbeltas. Éstas son ancladas al suelo con cables de acero, en algunos casos con

tirantes rígidos para soportar la rigidez a flexión requerida. Las torres tubulares de

acero atirantadas, como la de la Figura 9 son usadas para rotores a sotavento

particularmente cuando la altura de la torre es muy grande comparada con el

diámetro del rotor. A pesar de su relativa masa global pequeña, las torres

atirantadas no tienen muy buena relación coste- eficiencia. Los tirantes y los

anclajes requeridos en adición aumentan el coste total. Además, los tirantes son

considerados un estorbo en áreas dedicadas a la agricultura.

Figura 7. Torre tubular de acero atirantada.



3.10.3 Torre tubular de acero

Este tipo de torre (Figura 10) es el más utilizado en la actualidad. Las primeras

torres tubulares de acero presentaban una gran rigidez estructural, se diseñaban

de tal forma que la frecuencia natural de flexión de la torre fuera superior a lafrecuencia de giro de la pala. El motivo de esta elección se realizaba para reducir

la posibilidad de excitar esta frecuencia natural del sistema. Este diseño rígido da

lugar a torres excesivamente pesadas y caras, en especial cuando aumenta su

altura. Las nuevas torres tubulares de acero se diseñan de tal forma que la

frecuencia natural de flexión es inferior a estas frecuencias de giro de las palas.

Figura 8. Torre de acero

3.10.4 Torre de hormigón

La configuración de la estructura de la torre con hormigón (Figura 11) se puede

realizar o bien con hormigón armado u hormigón pretensado.



Figura 9. Torre de Hormigón.Hoy en día, las torres de hormigón son construidas bien de una manera

convencional con hormigón armado, o con hormigón pretensado, como en las

pruebas de las turbinas inglesas LS-1 o las suizas WTS-75.

El hormigón pretensado es más caro pero presenta mejores características para

los diseños de torres de elevada rigidez que los hormigones armados y es una

opción económicamente competitiva con las torres tubulares de acero cuando

éstas se han de diseñar con elevada rigidez.

Tener que construir la torre en el emplazamiento de operación con el usual

método de entablado es frecuentemente considerado una desventaja de la

construcción del hormigón. Por esta razón, en algunos casos se usan torres de

hormigón prefabricadas producidas en 2 o 3 secciones por máquinas especiales

en fábrica.

En este caso estas dos últimas no son muy eficaces para el diseño de un molinode viento ya que su mayor eficiencia se aprovecha para aerogeneradores, y en

este caso se quiere aprovechar la potencia adquirida por las aspas, más no la

velocidad que nos pueden dar las aspas del molino. Además de que su costo es

muy elevado y no es relevante para su eficiencia adquirida.



3.11 Cimentación

El cálculo de la cimentación, al igual que el diseño estructural de la torre,

depende de las cargas producidas por el rotor eólico en diferentes condiciones deoperación.

Un punto que diferencia el diseño de la torre con el diseño de la cimentación es

la geología del terreno. Cuando el terreno es lo suficientemente compacto, esto es

que la tensión admisible sea superior a un valor determinado, habitualmente 3

Kg/cm2, el diseño de la cimentación se puede considerar convencional. Este tipo

de cimentación dispone de una zapata de hormigón pretensado sobre la que se

monta una virola que se unirá posteriormente a la brida inferior de la torre. En laFigura 12 se observa una cimentación convencional.

Figura 10. Cimentación convencional.

Para la cimentación de torres tubulares de tirantes, primero se tendrá que fijar la

torre a la tierra ya sea mediante hormigón o solo con tierra, y después serán

colocados los tirantes.



4. DESARROLLO

En el apartado anterior se han desarrollado los antecedentes de la energía

eólica y los molinos de viento, permitiendo introducirse íntegramente en estemundo. De este modo se da paso a la definición del problema, concretando así

todos los parámetros necesarios para la resolución del mismo.

En primer lugar se ha seleccionado el lugar de emplazamiento de los molinos de

viento a estudiar, imprescindible para conocer las velocidades de los vientos. Y,

consecutivamente, se ha definido todo lo relacionado con la estructura del

mecanismo en cuestión, es decir, la potencia, altura, geometría, materiales y, por

último, los estados de carga.

Una vez definidos todos los conceptos y antecedentes, se puede comenzar a

buscar soluciones al problema, el cual es suministrar un depósito de agua,

mediante el aprovechamiento de la energía eólica. Dado esto ahora nos

enfrentamos en dos circunstancias, las cuales será:

El aprovechamiento del aire en una zona rural o despejada.

El aprovechamiento del aire en una zona urbana, para consumo

doméstico.

Dicho esto ahora se propone trabajar dos modelos de diferente estructura ya

que con un molino de viento tradicional se creara un gran impacto visual, lo cual

sería demasiado molesto para una zona urbana. Por otro lado un modelo de zona

urbana, no necesitara la misma eficiencia que un molino de zona rural ya que el

consumo de agua será menos.

A primera vista, dado que la velocidad del viento es el factor energéticopredominante, se puede suponer que los emplazamientos más adecuados para la

instalación de máquinas eólicas son aquellos en los que sopla el viento con

velocidades más elevadas. Sin embargo, si se tienen en cuenta las características



operacionales de las aeroturbinas, habrá que considerar no sólo el valor de las

velocidades del viento, sino también su distribución.

Toda máquina eólica requiere de una velocidad mínima de viento, por debajo de

la cual no genera el suficiente impulso para arrancar. Una vez en funcionamientose va acelerando a medida que aumenta la velocidad del viento, hasta que éste

llega a una velocidad determinada en que se alcanza las condiciones de régimen

de la aeroturbina. Para esta velocidad de viento se diseña especialmente la

máquina, de forma que se obtenga el máximo rendimiento en el lugar apropiado.

Esta velocidad de diseño suele tener un valor aproximado al valor medio de la

velocidad del viento en el emplazamiento elegido.

4.1.1 ParámetrosLa velocidad del viento es muy cambiante, y puede traer dificultades a nuestro

molino de viento, por eso es que hay que tener en cuenta cierta información. El

estudio de terreno para conseguir estos parámetros anuales se realizó en la

página de CLIMATE-DATA.org del 2012 y los resultados:

El clima es templado y cálido en Irapuato. En invierno hay en Irapuato mucho

más lluvia. De acuerdo con Köppen y Geiger este clima se clasifica como Csa

(clasificación climática de Köppen). La temperatura media anual se encuentra a20.5 °C. La precipitación es de 692 mm al año. La humedad relativa anual es de

45 % con velocidades de viento de 18 km/h.

4.2 Geometría de la torre

Para obtener la altura de la torre se necesita un buen estudio de la torre para

poder obtener un buen soporte de esta y que la vida útil de nuestro molino se

extienda.

Para estos dos tipos de molino de viento se escogieron dos estructuras

diferentes:

-Zona Urbana (zona despejada): Torre de celosía



-Zona Rural (zona con obstáculos): Torre tubular de acero atirantada

4.3 Zona Rural

Ya que es una zona rural para su funcionamiento se pretende un suministro deagua mayor que en el área doméstica, ya que esta puede ser utilizada para riego

de campos, bebederos de animales, y otras fuentes que requieren un mayor

consumo, además de que los vientos en estas áreas son más fuertes ya que no

existen obstáculos cerca de la torre que disminuyan las velocidades del viento.

4.4 Zona Urbana

Ya que la demanda de agua es menor en una casa, se ha decidido una carga

menos pesada y unas aspas con menos eficiencia que las normales de 18 aspas,

además de lograr con esto un menor impacto visual ya que puede ser colocado en

azoteas o a pocos metros después de una casa de dos pisos. Con esto

lograremos un aprovechamiento esencial de nuestro mecanismo y por

consecuente un suministro ideal de agua para el consumo doméstico de las

familias. En dado caso de que la demanda sea mayor en esta zona se podrá hacer

un ajuste de rotor para su eficiencia.

4.5 Obstáculos de los alrededores

Observar las distancias a los posibles obstáculos, además de su altura y

sobretodo la dirección de los vientos predominantes. Los obstáculos pueden estar

constituidos por elementos naturales o artificiales (árboles, malezas, cerros, casas,

etc.). En caso de poder elegirse la posición de la aerobomba, es preferible un sitio

con la mínima vegetación posible.

El molino se debe ubicar donde reciba la máxima cantidad de viento, tanto en

duración como en velocidad. Esto significa en la práctica un sitio donde:

a) Este lejos de obstáculos (árboles y edificios altos) Ver Figura 13.



b) Sobresalga lo suficiente de los obstáculos.

c) Reciba el viento predominante.

d) Se evite al máximo el viento turbulento.

Figura 11. Demostración de ejemplo de los obstáculos en terreno boscoso.

4.6 Geometría y Tipología

Existen diferentes tipologías de torres, pero este proyecto se ha centrado

principalmente en dos, que son las más usuales. En primer lugar se estudiará la

torre geométricamente más sencilla, esta es la torre atirantada. La torre será de

tubo con una base de 3 patas para que esta se pueda sostener, la base tendrá

una escalera adaptada para que se le pueda hacer mantenimiento en el rotor.

5. RESULTADOS

5.1 Diseño de la torre

Para el diseño de la torre se tienen que tomar en cuenta distintos factores los

cuales ya fueron mencionados anteriormente, con esto logramos llegar a la

selección de material que puede ser resistente para sostener nuestro rotor y

aspas.

Se ha decidido hacer la torre de celosía y la fuerza estimada que cargara será

de máximo 2 toneladas a una altura de 12 metros, dado que este tipos de torres

son más baratas y viables para su construcción. Con estos datos se harán los

cálculos, para después elaborar su diseño.



5.1.1 Diseño en CATIA

A continuación se presentan los pasos para diseñar la base en CATIA.

Ángulo vertical

1. Abrir CATIA PLM Express V5-6R2014

2. Start → Mechanical →Desing → Part desing → Escribir el nombre de la pieza

a diseñar. Como se muestra en la Figura 14

Figura 12. Introducir nombre de la pieza.

3. A continuación elegir los ejes en el que se va a diseñar la pieza, como semuestra en la Figura 15

Figura 13. Ejes disponibles para hacer el diseño.

4. Generar un sketch, dar click con la herramienta



5. Comenzar por darle las medidas del ángulo descritas anteriormente,

Y mediante las herramientas básicas del part, se podra diseñar como se

muestra en la Figura 16.

Figura 14. Diseño de ángulo en plano xy.

6. Salir del sketch Exit workbench y utilizar la herramienta Pad esto

será para agregarle volumen a la pieza, para este caso su volumen será de

4163.816 mm. El resultado se verá como la Figura 17.

Figura 15. Base con extrucción.

Ángulo horizontal.



1. Se creara ahora el ángulo horizontal con el mismo part del ángulo anterior,

pero con las medidas del ángulo horizontal como se muestra en la Figura 18.

Figura 16. Medidas del ángulo horizontal.2. Guardar este part en una nueva dirección para no causar modificaciones en

el ángulo anterior.


será para agregar volumen a la pieza, para este caso su volumen será de 1000

mm.

4. Se realizaran dos cortes en las esquinas de este ángulo para no causar

choque entre ellas cuando se realice el ensamble. Generar un nuevo sketch y

después seleccionar el lado del ángulo que se muestra en la Figura 19.



Figura 17. Selección del plano para nuevo sketch.

6. Se dibujara un perfil de modo que se pueda desbastar ese lado del ángulo.

Figura 20.

Figura 18. Nuevo perfil de desbastar.



7. Ahora dibujar una línea de construcción en la parte media de este plano, para

después utilizar la herramienta miroir, y poder así copiar este perfil en las dos

direcciones del ángulo.

8. Salir del sketch Exit workbench y utilizar la herramienta Pocket esto

será para restarle volumen a la pieza, para este caso la medida será el grosor de

la pieza.

9. Realiza dos orificios en el lado contrario de la pieza donde se realizaran las

uniones de las vigas, y donde se colocaran más adelante los contraints.

Generar un sketch, dar click con la herramienta

Y seleccionar el plano como se muestra en la Figura 21.

Figura 19. Selección del plano.

10. Utilizar la herramienta del círcle, y con algunas constraints le dar las

siguientes medidas. Ver Figura 22.



Figura 20. Medidas de los orificios.

11. Utilizar las mismas herramientas que en los pasos anteriores para realizar el

orificio en ambas direcciones y después finalizar con un pocket. Ver Figura 23.

Figura 21. Resultado final del ángulo horizontal.Ensamble

Ahora después de tener las piezas elementales comenzar con el ensamble.

1. Abrir el software CATIA V5



2. Start Mechanical Desing Assambly Desing esto se vera de la

siguiente forma. Ver la Figura 24.

Figura 22. Assambly Desing.

El programa creara una pantalla con la cual se podrá hacer el ensamble, sin

embargo en este apartado solo se pueden ensamblar elementos. Como se

muestra en la Figura 25.

Figura 23. Product.



2. Seleccionamos la raíz de nuestro ensamble la cual viene con el nombre de

Product2, se tornara de otro color indicando que esta seleccionado y ya una vez

seleccionada buscar el icono de Exiting Component. Ver Figura 26.

.

Figura 24. Existing component.

Se abrira una ventana en donde se buscaran los archivos a ensamblar.

Seleccionar el archivo. Ver Figura 27.



Figura 25. Archivo.

3. Una vez insertado el primer archivo se puede manipularlo de diferentes

modos para la colocación del mismo proyecto con algunas herramientas como las

que se muestran en la siguiente figura las cuales se mueven en los planos(x,y,z),también se pueden girar y mover en planos bidimensionales. Ver la Figura 28.

Figura 26. Manipulación de la pieza.



4. Colocar la segunda pieza con los pasos anteriores, y dar un contraints de

coincidencia de la barra de herramientas de constraints. Seleccionar los

ejes de las Figuras 29 y 30

Figura 27. Primer eje.

Figura 28 Segundo eje.

5. Seleccionar el comando de Update con lo que se obtiene el resultado

de la Figura 5.18



Figura 29. Resultado después de actualizar.

6. Ejecutar icono de Conbtact Constraints, de la barra de herramientas

de Contraints. Y seleccionar las caras de las Figuras 32 y 33.

Figura 30. Primer cara



Figura 31. Segunda cara.

7. Seleccionar el comando de Update con lo que se muestra el resultado

de la Figura 34.

Figura 32. Resultado final

8. Aplicar un ángulo vertical, el cual ya fue calculado previamente para quenuestra torre logre tener una altura de 12 metros. Tomar el compás por el punto

rojo y moverlo hasta uno de los perfiles del ángulo vertical. Ver Figuras 35 y 36



Figura 33. Muestra de compas.

Figura 34. Compas colocado en el perfil del ángulo vertical.

El ángulo vertical se encuentra a un ángulo de 90 grados en la imagen anterior,

ahora se le tiene que dar un ángulo de 4.3 grados. Seleccionamos edit sobre el

compás en verde, aparecerá una ventana nueva como en la Figura 37 y le

asignamos el ángulo ya mencionado.



Figura 35. Cambio de ángulo.

El resultado final se muestra en la Figura 38

Figura 36. Vista frontal de figura.



9. Ahora se repetirán todos los pasos anteriores, para el ensamble de la parte

superior de la torre, recordando que está compuesta por tres bases. Utilizando los

mismos ángulos vertical y horizontal, hasta obtener el resultado de la Figura 39.

Figura 37. Vista frontal de la base.Teniendo este resultado se modificara el ángulo horizontal dado que la distancia

entre el ángulo ha cambiado en la parte inferior. Se le asignara las siguientes

medidas y se guardara en diferentes direcciones para que no se modifiquen las

figuras anteriores. Ver Figura 40.

Figura 38. Distribución de las medidas para los ángulos.



Tabla 2. Medidas del ángulo.

Base Ángulo horizontal Ángulo transversal1 1590mm 4151.332

2 2162mm 4414.952

3 xxx 4694.752

Teniendo todos los ángulos guardados, se repetirán todos los mismos pasos en

el orden de las Figuras 41, 42, 43 y 44.

Figura 39. En esta imagen primero se unen los ángulos, verticales y horizontales.



Figura 40. En esta imagen se continua con la base 2 donde se realizan los mismos pasosque en el proceso anterior.

Figura 41. Las tres bases están armada en esta imagen.

Figura 42. Base final, uniendo las vigas transversales.

5.2 Diseño de las aspas

Después de una investigación de aspas convencionales y eficientes, se hadecidido diseñar las aspas tradicionales de 18 aspas, ya que se necesita generar

fuerza, y no velocidad en el rotor. Para así poder mover los engranes, si

tuviéramos una velocidad más rápida los engranes se verían afectados y no es lo

que buscamos en este proyecto.



Las aspas cuentan con dos bases en las cuales van ajustadas las aspas, las

bases tienen de diámetro 2 y 1 metros. Las aspas cuentan una dimensión de 0.8

m, siendo de un perfil más chico en la parte superior y terminando en un perfil más

grande con un ángulo de 2°.

5.2.1 Diseño de aspas en CATIA

Para el diseño de las aspas, se puede hacer de dos manera, el primero el

mediante un solo part y el segundo con piezas diferentes en un ensamble

utilizando contraints.


2. Start Mechanical Desing Part desing Poner el nombre de la pieza a

diseñar Como se muestra en la Figura 45.

Figura 43. Introducir nombre del satélite doble.

3. Elegir los ejes en el que se va a diseñar la pieza, como se muestra en la

Figura 46



Figura 44. Ejes de trabajo para el satélite doble.

4. Generar un sketch, dar click en la herramienta

5. Comenzar trazando un círculo con centro en el origen , el círculo tendrá

un diámetro de 80 mm como se muestra en la Figura 47.

Figura 45. Diámetro hueco del satélite doble.

6.- Salir del sketch Exit workbench y con la herramienta pad dar

volumen, para este caso será de 140 mm. El resultado final se muestra en laFigura 48.



Figura 46. Resultado después del pad.

7. Generar un nuevo sketch en el perfil de nuestro sólido y se ara otro dos

círculos con diámetros de 150 y 140, estos círculos debe compartir el mismo

centro que el círculo anteriormente dibujado. Ver Figura 49.

Figura 47. Círculos desde el mismo centro.



8. Salir de sketch y con la herramienta pad dar volumen, para este caso

será de 140 mm. Pero se dará en dos direcciones de modo que abarque los dos

extremos del sólido. Ver Figura 50

Figura 48. Estrucción en dos direcciones.

9. Generar un nuevo sketch en nuestro primer perfil, y generar un perfil similar al

de la Figura 51.

Figura 49. Perfil sobre nuestro plano de origen



10. Salir del sketch Exit workbench y con la herramienta pad dar

volumen, en las dos direcciones. El resultado final se muestra en la Figura 52.

Figura 50. Resultado de nuestra estrucción.

11. Crear las bases exteriores, generando un nuevo sketch sobre el plano inicial,

y crear 4 círculos con las medidas de la Figura 53.



Figura 51. Medidas de los 4 círculos.


volumen. El resultado final se muestra en la Figura 54.

Figura 52. Resultado final.13. Crear 4 perfiles mediante circulos de modo que se utilizara la herramienta

Multi- Sections Solid Definition como se muestra en la Figura 55.

Figura 53. Herramienta MSSD.



Realizar dos sketches diferentes los círculos de las Figuras 56 y 57

Figura 54. Plano donde se genera el dibujo 1.

Figura 55. Plano donde genera el dibujo 2.

14. Se selecciona la herramienta Multi- Sections Solid Definition y

posteriormente los perfiles dibujados, el resultado final se muestra en la Figura 58.



Figura 56. Resultado de la herramienta Multi- Sections Solid Definition

15. Se utilizara la herramienta Ciculo Patter para agregar un patron de los

refuersos. Seleccionar la herramienta de Circular patter, se agrega el patron y por

ultimo se selecciona el eje como se muestra en la Figura 59.

Figura 57. Eje que debe seguir el patrón.



16. Ahora se creara un orificio en el cual ira sujeta el aspa, mediante circulo,

pocket y circule patter con 18 repeticiones, el resultado final se muestra en la

Figura 60.

Figura 58. Patrón de repetición.

Resultado del patrón a seguir. Ver Figura 61

Figura 59. Resultado final de nuestro soporte de las aspas.



17. Ahora se crearan las aspas mediante un nuevo part, mediante perfiles y

estrucciones.

Aspas


2. Start Mechanical Desing Part desing Escribir el nombre de la pieza a

diseñar Como se muestra en la Figura 62

Figura 60. New Part.



3. Crear un perfil como se muestra en la Figura 63.

Figura 61. Perfil base de las aspas.


volumen de 20 mm.

5. Crear dos perfiles en dos sketches diferentes para después utilizar la

herramienta Multi- Sections Solid Definition, como se muestra en las Figuras 64 y65.



Figura 62. Primer perfil del sketch

Figura 63. Segundo perfil del sketch

El resultado final después de utilizar Multi- Sections Solid Definition se muestra

en la Figura 66, se guarda la pieza y después se ensambla.

Figura 64. Pieza final del aspa.

Ensamble




2. Start Mechanical Desing Assambly Desing esto se vera de la

siguiente forma. Ver la Figura 5.56.

Figura 65. Assambly Design.

3. Exportar las piezas y mediante constrains de coincidencia generar el

ensamble. Ver Figura 68.

Figura 66. Ensamble mediante coincidence.



4.- Transportar el aspa 18 veces y repetiremos los pasos anteriores hasta lograr

el resultado de la Figura 69.

Figura 67. Resultado final.

5.4 Diseño de trasmisión

La transmisión es del tipo directo (D) convirtiendo el movimiento rotacional del

rotor en movimiento trasnacional alternativo vertical en el vástago de la bomba, elrotor está solidario al sistema de transmisión por medio de un disco de ocho bridas

de 3/8”, la conexión del movimiento del eje a la bomba se realiza mediante un

mecanismo de biela – manivela montado directamente sobre el eje del rotor que

produce un desplazamiento oscilante en sentido vertical del émbolo. Los

rodamientos de la biela son de doble anillo obturador.

5.4.1 Diseño en CATIA

Para crear el mecanismo que pueda trasformar el movimiento giratorio de lasaspas en movimiento lineal para bombear el agua, se creó un sistema de

manivelas para poder lograr esto. Los elementos que constituyen este mecanismo

se diseñan con herramientas básicas, las medidas y los elementos se presentan

en las Figuras 70, 71, 72, 73 ,74 y 75



Figura 68. Primer elemento.

Figura 69. Segundo elemento.

Figura 70. Tercer elemento.



Figura 71. Cuarto elemento.

Figura 72. Quinto elemento.

Figura 73. Sexto elemento.



1. Generar ensamble de estos componentes mediante constraints de

conicidence, contatc, offset, y fix component.

Una vez realizado el ensable la pieza se vera como en la Figura 76.

Figura 74. Ensamble de las piezas mediante constraints.

2. Ahora se pasara a la función kinematicks Figura 77.

Figura 75. Kinematicks.

3. Se abrirá una pantalla similar pero con herramientas diferentes, aquí se

tiene que ubicar dos ventanas fundamentales, DMU Kinematics y DMU

Generic Animation como se muestra en la Figura 78.



Figura 76. Ventanas fundamentales en Kinematics

4. Seleccionar el ícono Assembly Constraints Conversion el módulo

permitirá construir las juntas automáticamente. Se activará la ventana de

diálogo Assembly Constraints Conversion, Figura 79, y seleccionar la

opción New Mechanism. Ver Figura 80.

Figura 77. Asembly Constraints Conversion.

Figura 78. Mechanism Creation.

Se activará el nombre del mecanismo de la ventana de diálogo anterior, Figura

81.



Figura 79. Asembly Constraints Conversion.

5. Mediante esta herramienta se pueden generar las juntas que se necesitan

para la simulación en Kinematics, pero en este caso presentare los pasos a seguir

para la simulación mediante constraints.

a) Para generar las juntas será necesario considerar dos aspectos:

b) Ubicar la barra de Kinematics Joints,

6. Se recomienda que los elementos a trabajar tienen que estar ligeramente

separados uno del otro, con el fin de que sea fácil la selección, Figura 82.

Figura 80. Piezas separadas.

7. Seleccionar el ícono Revolute Joint y posteriormente el eje de la parte con

el nombre de Viga que se muestra en la figura 9. Después seguir los siguientes

ejes como en las Figuras 83, 84, 85 y 86.



Figura 81. Primer eje.

Figura 82. Segundo eje.

Figura 83. Selección de cara.



Figura 84. Selección de segunda cara.

8. Seleccionamos ok y repetimos el procedimiento para la pieza contraria, el

resultado se muestra en la Figura 87.

Figura 85. Resultado después de las dos juntas.

9. Se siguen los mismos pasos para las piezas Trasnversal y Part 4 ver Figuras

88 y 89, hasta obtener el resultado de la Figura 90.



Figura 86. Caras y ejes de la figura transversal.

Figura 87. Ejes y caras de la figura base.

Figura 88. Resultado después de las juntas.

10. Seleccionar la herramienta Cylindrical joint y posteriormente los ejesmostrados en la Figura 91.



Figura 89. Ejes seleccionados para crear juntas.

11. En el árbol se registrará la junta cilíndrica que interactúa entre la Base y el

Crank. Seleccionar dicha junta con doble clic, donde el rango del ángulo será de

0º a 360º, Figura 92.

Figura 90. Rango del ángulo de la junta cilíndrica.

Simulación

1. Se hará la simulación del mecanismo, identificar la barra DMU Generic

Animation, Figura 94

Figura 91. DMU Generic Animation.



2. Seleccionar el ícono Simulation y se activará la ventana Select, seleccionar el

mecanismo, Figura 94.

Figura 92. Inició de la simulación.

3. Seleccionar OK y se obtendrán las ventanas de las Figuras 95 y 96.

Figura 93. Ventana de Edit Simulation.

Figura 94. Ventana de Simulation.



4. En la ventana de Kinematics Sim, aparece una barra con un Scroll que

puedes mover de izquierda a derecha, posicionándolo en alguna posición de 0 a

360º, la posición cero grados se muestra como en la Figura 97.

Figura 95. Movimiento de la pieza.

5. En la ventana Edit simulation, seleccionar la opción Insert y se activarán

algunos íconos. Si se selecciona Jump to Start el mecanismo regresará a su

posición inicial.

Si se selecciona Change loop Mode y posteriormente Play , se activará la

simulación en la posición de 360º. Se puede manipular la velocidad de la

simulación, en la sección Interpolation Step, seleccionar una velocidad más baja,

Figura 98.

Figura 96. Interpolation Step.



6. De la barra DMU Generic, selecciona el ícono Compile Simulation.

Activa la sección Generative an animation y File de la ventana de diálogo Compile

Simulation, Figura 99.

Figura 97. Compile Simulation.

7. De la ventana de diálogo Compile Simulation, seleccionar la opción File

Namepara dar la ubicación de la carpeta donde se guardará el video, Figura 100.

Utilizar el nombre del archivo: simulación-mecanism.

Figura 98. Guardar el archivo.8. Seleccionar Guardar.

En la ventana de Compile Simulation se actualizarán los datos de la Figura 101.



Figura 99. Compile Simulation.

Si se activa la sección Generate a Replay, seleccionar el formato del video de la

animación, por ejemplo el formato AVI.

9. Seleccionar Generate a Replay y OK.

10. Seleccionar el ícono Simulation Player de la barra de herramientas DMU

Generic Animation. En el árbol de actividades seleccionar Replay en la sección de

Simulation, Figura 102.

Figura 100. Simulation Replayer.

Si se selecciona Play, se reproducirá el video de la animación del mecanismo en

estudio. Ver Figuras 103 y 104, para entender el funcionamiento.



Figura 101. Funcionamiento de manivelas.

Figura 102. Funcionamiento de manivelas 2.

5.5 Diseño de Bomba

Para el diseño de la bomba se tienen que establecer distintos factores para que

esta pueda ser funcional, sin embargo esta es una prueba de una bomba

convencional y de esta se pueden modificar los diámetros y lo largo del vástago.

5.5.1. Diseño de Bomba en CATIA.






Figura 103. Introducir el nombre de la pieza 2.

3. Elegir los ejes en el que vamos a diseñar la pieza, como se muestra en la

Figura 106.

Figura 104. Ejes disponibles para el engrane azul.

4. Generar un sketch daremos click en la herramienta



5. Comenzar trazando un círculo con centro en el origen , el círculo tendrá

un diámetro de 114.3 y 108.3 como se muestra en la Figura 107.

Figura 105. Diametros para círculos.


será para agregarle volumen a la pieza, para este caso su volumen será de

600mm. El resultado se verá como la Figura 108.

Figura 106. Pieza en tres dimensiones.

7. Abrir un nuevo part, para crear el vástago, y otro para crear la tapa de nuestra

bomba.



8. El resultado de las siguientes piezas es el de las Figuras 109 y 110.

Figura 107. Vastago.

Figura 108. Coladera de nuestra bomba.

9. Se crearan unas tapas para el vástago y la coladera, las cuales embonen y

estén sujetas por dos orificios mediante constrains de coincidence. Ver Figuras

111 y 112.



Figura 109. Tapadera de vástago.

Figura 110. Tapadera de la coladera.

Ensamble

Se realizara el ensamble mediante las herramientas de constrains que ya se

utilizaron, y el resultado final es el de la Figura 113.



Figura 111. Resultado del ensamble de la bomba.

El funcionamiento de las tapaderas es para no dejas salir el agua una vez que

está a sido succionada por la bomba. Ver Figuras 114 y 115, para entender su

funcionamiento.

Figura 112. Succión de agua.

Figura 113. Expulsión de agua.

4.4.6 Sistema de seguridad y control

El cabezote es un conjunto formado por el eje del rotor, el sistema de control y el

rotor. El conjunto del cabezote se soporta en la torre sobre un rodamiento axial de



esferas de ½ pulgada, que dan una gran sensibilidad a los cambios de dirección

del viento, observado entonces aguas abajo mediante la aleta principal o cola, la

cola de orientación tiene una sensibilidad de 2 m/s a partir de la cual el rotor

permanece a barlovento a la dirección del viento.

Esta cola de orientación es plegable, gira sobre un pivote permitiendo regular la

velocidad de giro del rotor mediante una aleta adicional de deflexión lateral, el

sistema de seguridad y orientación comienza a operar a velocidades de viento

entre 8 y 10 m/s y detiene completamente el rotor y lo saca de operación a

velocidades cercanas a los 30 m/s. De tal manera, que el rotor está protegido con

vientos superiores a 35 m/s evitando situaciones catastróficas.

Diseño en CATIA.




Figura 114. Introducir el nombre de la pieza 2.



3. Elegir los ejes en el que vamos a diseñar la pieza, como se muestra en la

Figura 106.

Figura 115. Ejes disponibles para el engrane azul.

5. Generar un sketch daremos click en la herramienta

6.- Crear el siguiente perfil que se muestra en la Figura 118.

Figura 116. Perfil de la veleta


será para agregarle volumen a la pieza, para este caso su volumen será de 20mm.

El resultado se verá como la Figura 119.



Figura 117. Resultado después de utilizar pad.

8. Crear la base que conectara con la caja de manivelas del rotor. Crear un perfil

nuevo en XY y después utilizar pad, el resultado se muestra en la Figura 120. Las

medidas no son definidas, esto dependerá de lo lejos que se necesita de la veletaa la caja.

Figura 118. Resultado final de la veleta.

4.5 Resultado final del molino de viento.

El resultado final del molino de viento se muestra en las siguientes figuras,

después de tener los perfiles y las piezas necesarias se pueden realizar un

ensamble con las herramientas básicas. Siempre es importante partir del

ensamble principal, en este caso será el de las manivelas, ya que la animación se

verá con más importancia en esta zona.



A continuación en la Figuras 112, 1113, 114, 115 y 116, se muestra el proceso

de como ensamblar para tener posteriormente una mejor animación mediante

Kinematics.

Figura 119. Ensamble final.

Figura 120. Vista lejana del molino.



Figura 121. Vista de bomba.

4.5 REQUERIMIENTOS DE ENERGIA Y NECESIDADES DE BOMBEO

Los usos típicos de las aerobombas comerciales se centran en el

abastecimiento de agua limpia para uso doméstico, agua para ganado; para

labores de irrigación, drenajes y algunas otras menos común como en la industria

piscícola.

Cada una de estas aplicaciones determina la cantidad de agua necesaria para

ser entregada con un sistema de aerobombeo. Sin embargo, algunos aspectos

adicionales deben ser tenidos en cuenta por el usuario como la localización de la

fuente de agua, ya que esta puede ser bombeada de un pozo, un aljibe, un río,

una corriente de agua, etc. Aparte de esto, es fundamental, determinar la calidad

del agua para una aplicación específica.

Adicionalmente se tendrá que determinar si la instalación requiere tanque de

almacenamiento o no.

Como un primer paso, entonces, se debe cuantificar la demanda de agua para

la aplicación dada y el total de la altura de bombeo. Así pues, es indispensable



conocer el consumo diario promedio (m3 por día) y si es posible, su variación en

diferentes épocas del año. Además es importante pensar en la necesidad futura

de abastecimiento de agua, ya que esta puede crecer en el inmediato plazo y

probablemente la instalación eólica no responda a las exigencias futuras. Sobra

indicar que en caso que una instalación con el tiempo no pueda con las exigencias

de abastecimiento de agua, siempre se puede aumentar la capacidad del equipo

instalado o instalar otra aerobomba para complementar el suministro.

Vale la pena mencionar que un aspecto atractivo del uso de aerobombas, ha

sido, que estos equipos pueden suministrar cantidades adecuadas de agua por

periodos razonables de tiempo, sin intervención humana, totalmente desatendidos.

Igualmente, es común escuchar usuarios de esta tecnología que otro aspectoatractivo es que los molinos de viento no son robados, como si sucede con

motobombas pequeñas en las cuales requieren de la presencia permanente de un

operario.

En cuanto a la cantidad de agua limpia requerida para consumo humano, se

estima que el consumo mínimo diario por persona puede variar entre 20 L y 40 L

por día. En lo que respecta al abastecimiento de agua para animales este

consumo diario varía entre 20 L y 40 L por cabeza, para caballos y reces deganado; llegando hasta 100 L para vacas lecheras y, para ovejas, cabras y cerdos

puede estar entre 1 L y 10 L por día. Estos valores se dan a nivel informativo

debido a que el consumo de agua depende de su disponibilidad en la zona.

En lo que respecta al cálculo de demandas de agua para irrigación dependerá

del tamaño y tipo de cultivo, teniéndose en cuenta los niveles de

evapotranspiración en el lugar. Estas cantidades de agua diaria requerida

generalmente están contenidas en manuales de irrigación.

Toda vez se realice una estimación de la demanda y su variación mensual a lo

largo del año se tendrá que cuantificar la capacidad de la fuente de agua, la cual

deberá estar acorde con las necesidades de abastecimiento. En este aspecto, por



ejemplo, es necesario medir la capacidad de entrega de agua de un pozo o aljibe,

ya que este recoge aguas subterráneas y no sería deseable dejarlo seco durante

ciertos periodos de tiempo. Sin embargo el molino de viento que se ha diseñado

puede trabajar en vacío por largos periodos de tiempo, lo cual, garantiza que aún

sin agua en la fuente el equipo no sufre daño y si este ha sido provisto del

adecuado mantenimiento, no requiere de ninguna atención humana para que

vuelva a bombear normalmente.

En lo que respecta a las alturas de bombeo típicas, cuando se realiza bombeo

directo de pozos o aljibes, se pueden encontrar profundidades típicas de algunos

cuantos metros en pozos poco profundos, hasta profundidades que están entre 70

m y 100 m. Seleccionar, el molino que extraiga el agua deseada, a la profundidad

requerida más la elevación.

Figura 122. Parámetros a estimar antes de la colocación del molino



4.7 PARÁMETROS IMPORTANTES A CONSIDERAR

La selección de cualquier estrategia para la extracción y conversión de energía

eólica para abastecimiento de agua deberá tener en cuenta los requerimientos del

usuario, el comportamiento del viento y el sistema de conversión de energía eólica

a ser utilizado para cumplir una demanda específica. Estos tres aspectos que

deben estar adecuadamente acoplados son, entonces:

- La necesidad del usuario (fuente y cantidad de agua, patrón de consumo).

- La fuente de energía (el viento, su distribución a lo largo del año).

- El equipo conversor de energía (el rotor eólico, transmisión, bomba).

El acoplamiento que se debe lograr entre una necesidad de abastecimiento deagua y la fuente energética se realiza a través de la selección de la aerobomba

más adecuada.

Otros aspectos importantes que deben estar presentes en la decisión son: la

relación beneficio costo de la instalación, la disponibilidad de la aerobomba, los

costos iniciales de los equipos, costos de mantenimiento de los equipos, el

volumen del tanque de almacenamiento de agua y costo, costos comparativos de

soluciones alternas como motobomba operadas con combustibles fósiles, costo deperforación de pozo, etc.

De los tres aspectos, quizás, el más sencillo de cuantificar es la necesidad de

suministro volumétrico de agua para una aplicación dada. Esto implica conocer, de

antemano, cuál va a ser la fuente de agua de que se dispone, bien sea un pozo

profundo, un rió, un lago, etc. La determinación de la energía hidráulica necesaria

(expresada en m4/día) y su patrón de consumo a lo largo del año son parámetros

iniciales para la exploración de uso de aerobombas.

Es así como para el rango de velocidad de viento entre 80 % y 250 % de la

velocidad promedio anual de viento, se tiene el mayor nivel energético eólico

aprovechable. Aproximadamente, para ese rango de velocidades está disponible



cerca del 80 % de la energía eólica aprovechable para bombeo y esto ocurre,

generalmente, entre el 30 % y 50 % del tiempo del año, esto es entre 3 000 h y 4

500 h del año.

El diseño del proyecto se realizó en CATIAv5 y CATIAplmEspress, dado que se

necesitaron varias herramientas que la primera configuración de CATIAv5 no

contenia, con esto se logro realizar el diseño con éxito, además de la animación

mediante Kinematics.

Para la selección de materiales primero se realizó un investigación de los

materiales existentes en el mercado y en base a estos se pudo concretizar las

medidas de los materiales, por si a un futuro este se llegara a realizar sea as

factible su compra, y que los materiales concuerden con el diseño del sistema.

4.8. Selección de materiales.

Torre

La estructura es auto portante construida con perfiles de ángulo de acero

estructural A-36, cubierto con pintura, a base de cromato de zinc y pintura de

aluminio que será de gran utilidad para los ángulos no sea refractivos a la luz delsol.

El diseño de la torre se realizó con una altura de 12 metros por medio de 3

bases de 4 metros cada una. La altura debe ser acorde a los obstáculos, a la

cantidad de viento del sitio de ubicación del molino, a las necesidades y a la

disponibilidad de agua, de modo que este no genere un gran impacto visual para

la sociedad en caso de que este sea colocado en un área urbana.

La estructura fue diseñada en módulos de 4 metros con largueros en ángulo 2 X

2 X 3/16 in de 4.100 metros de largo, travesaños de ángulo de 1½ X 1½ X 1/8 in

para el puente de la bomba y 1 X 1 X 1/8 in para los demás, los elementos



diagonales son de ángulo de 1 X 1 X 1/8 in que soportan esfuerzos de tensión y

compresión evitando el pandeo, dada la esbeltez de los elementos.

El sistema de sujeción de los elementos será por medios de tornillos de 3/8”,

totalmente desarmable. La torre consta de una escalera de 460 mm entre pasos,que facilita el ascenso para instalación, mantenimiento y reparación.

Aspas

Rotor tipo eje horizontal a barlovento de 2m, metros de diámetro, formado por

18 aspas de paso variable respectivamente para cada diámetro de rotor, hechas

de lámina de acero galvanizado calibre 24; con refuerzos remachados en los

extremos, las aspas son ajustadas sobre la araña del rotor, la cual, está formada

por ocho (6) radios de platina HR 1” X 1/8” reforzados estructuralmente con

costillas y la misma cantidad de arcos exteriores como interiores de platina HR 1”

X 1/8” que soportan las aspas en sus extremos. El rotor es balanceado estática y

dinámicamente para una velocidad de rotación máxima de 120 RPM.

Engranes

Trasmisión

El eje de transmisión hecho en acero AISI-SAE 1040, está montado sobre

rodamientos de rodillos cónicos, configuración en X (frente a frente) soportados en

una camisa con bridas que sostienen los rodamientos en su sitio y permite el

sellado de la camisa para retener el aceite mediante sellos de caucho

(retenedores), la lubricación es por salpique facilitando el mantenimiento (no

requiere desarme de piezas) y mejorando la eficiencia eólica (menor viscosidad

del fluido lubricante).

Unida a la biela se encuentra la varilla de actuación en acero AISI-SAE 1020 X

DIA ½” que se encarga de transmitir el movimiento de vaivén de la manivela a la

bomba. El recorrido del vástago es regulable según las condiciones de bombeo



5. CONCLUSIONES

El diseño y cálculo de los diferentes modelos de Molinos de viento se ha

llevado a cabo con éxito obteniendo las conclusiones que a continuación se

indican:

Los modelos analíticos simplificados permiten aproximar la respuesta global de

una estructura tipo viga pero no permiten analizar resultados locales, por tanto, en

estos casos siempre será necesario recurrir a modelos numéricos más

sencillos.

Al realizar el sistema de seguridad en los molinos de viento, se encontró

que la mayoría de los molinos, no cuentan con un buen sistema que

ayude a prevenir la destrucción del rotor a causa de violentas ráfagas de

viento, así mediante el sistema de engranes seleccionado se puede

observar que aun en velocidades del viento extremas, el molino podrá

soportar grandes corrientes, sin necesidad de dañar el sistema de

bombeo o el rotor de las aspas.

Se ha comprobado que el suministro de agua por aerobombeo tiene que

ser lento, y no es necesario ocupar rotores de tipo vertical, o rotores con

otros tipos de aspa, ya que la fuerza que se necesita es grande, y no seocupa giros rápido ya que no estamos produciendo electricidad, sino más

bien potencia para lograr mover las manivelas.

El diseño en CATIA ayuda al usuario a realizar con mayor facilidad y

precisión su sistema, ya que cuenta con diversas herramientas que son

tesis de cegv tsu 50

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