UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica

Transcripción

1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica DISEÑO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL DE 5 KW DE POTENCIA Por Alejandro Ferrero Moya Sartenejas, Octubre de 007

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica DISEÑO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL DE 5 KW DE POTENCIA Por Alejandro Ferrero Moya Realizado con la asesoría de los profesores Hernán Díaz Pedro Pieretti INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al título de Ingeniería Mecánica. Sartenejas, Octubre de 007

3 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Mecánica DISEÑO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL DE 5 KW DE POTENCIA INFORME DE PASANTÍA presentado por Alejandro Ferrero RESUMEN El presente trabajo tiene como meta principal el diseño de un aerogenerador de eje horizontal de 5 kw de potencia, que pueda suplir la demanda eléctrica de viviendas rurales en las zonas costeras del país. El proceso de diseño se divide en dos partes principales, diseño aerodinámico y diseño mecánico. La metodología empleada se basa en la utilización de un algoritmo de cálculo tomado y mejorado de trabajos previos de energía eólica realizados en la Universidad Simón Bolívar. El algoritmo permite calcular desde las variables aerodinámicas hasta los valores de cargas que debe soportar el aerogenerador. Se presentan dos alternativas de diseño en base a dos tipos diferentes de generadores eléctricos, uno de procedencia extranjera y otro de manufactura nacional. Esencialmente, se busca el equilibrio perfecto entre la sencillez y la funcionalidad, buscando en un futuro la viabilidad constructiva de los prototipos para el cumplimiento de los objetivos planteados. PALABRAS CLAVE Diseño, turbina, prototipo, micro aerogenerador. Sartenejas, Octubre de 007

4 DEDICATORIA Dedico este trabajo a Dios, mis familiares y amigos que han estado allí siempre para ayudar en aquellos momentos en los que todo se veía confuso.

5 AGRADECIMIENTOS Gracias al profesorado de la Universidad Simón Bolívar, quienes me han enseñado en el transcurso de la carrera. Principalmente a los profesores Pedro Pieretti y Hernán Díaz quienes me dieron la oportunidad de haber realizado este trabajo. También agradezco a mis familiares y amigos quienes me han aportado en el día a día la energía para seguir a adelante. Especialmente a Gerald Mayoral por haber pensado en mí en aquel momento a los inicios del proyecto. A Gustavo, Olga lucía, por haber brindado apoyo en los mejores y peores momentos en el transcurso de todos estos años, y a agradezco todas aquellas personas que directa o indirectamente me mostraron apoyo incondicional, hoy y siempre. Gracias a todos mis compañeros en el Instituto de Energía quienes siempre brindaron apoyo, incluso cuando estuviesen muy ocupados proporcionaban ideas para animarme y seguir adelante. A Dios por ser la fuente principal de todo lo que ocurre en éste mundo.

6 i INDICE GENERAL INTRODUCCIÓN... 1 CAPÍTULO 1 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Problemática global Problemática específica Recurso eólico en Venezuela Consumo eléctrico rural Objetivos del proyecto Objetivo general Objetivos específicos CAPÍTULO. MARCO TEÓRICO Aspectos generales sobre aerogeneradores Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal Alternativas de Diseño Principios Teóricos El viento Estudio del fenómeno Estudio del comportamiento de las ecuaciones Coeficiente de empuje vs. Inducción axial Coeficiente de potencia vs. Razón de velocidad Respecto a los fundamentos teóricos utilizados para el desarrollo del algoritmo de cálculo utilizado en los trabajos previos de energía eólica Respecto a la teoría de momento de álabe Respecto a la teoría de elemento de alabe Consideraciones básicas de perfiles aerodinámicos Funcionamiento básico de los perfiles Algoritmo de cálculo Consideraciones respecto al proceso de cálculo Configuración general del algoritmo de cálculo... 35

7 ii CAPÍTULO 3 3. ASPECTOS MODIFICADOS DEL ALGORITMO DE CÁLCULO Y METODOLOGÍA DE DISEÑO Modificaciones al algoritmo de cálculo Metodología de diseño utilizada Metodología de diseño aerodinámico Metodología de diseño mecánico CAPÍTULO 4 4. DISEÑO AERODINÁMICO Consideraciones iniciales sobre diseño aerodinámico Potencia nominal respecto al radio de pala Número de palas, razón de velocidad y coeficiente de potencia Número de palas Razón de velocidad y Coeficiente de potencia Velocidad de viento de diseño Velocidades de viento promedio Métodos estadísticos para medición del recurso eólico Distribución de Weibull Análisis de perfiles aerodinámicos y condiciones de flujo Consideraciones de flujo Selección de perfiles aerodinámicos Consideraciones de arranque Consideraciones de sustentación y arrastre Análisis del perfil seleccionado Consideraciones estructurales sobre la geometría de la pala Condiciones de operación de la turbina fuera del punto nominal Estimación de la energía producida CAPÍTULO 5 5. DISEÑO MECÁNICO Consideraciones eléctricas para el diseño de componentes Velocidades de giro de las máquinas eléctricas Generadores eléctricos de imanes permanentes... 76

8 iii Generador eléctrico de imanes permanentes desarrollado en la Universidad Simón Bolívar Metodología de diseño mecánico y consideraciones previas Consideraciones de carga Consideraciones sobre los programas computacionales Desarrollo del diseño mecánico Diseño del buje Diseño del eje horizontal o principal y sus chumaceras Diseño del eje vertical Diseño del sistema de orientación Diseño del sistema de control Diseño de la estructura interna de aerogenerador Diseño del carenado Soporte del eje vertical Diseño de la torre Consideraciones adicionales sobre diseño mecánico CAPÍTULO 6 6. RESULTADOS CAPÍTULO 7 7. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS

9 iv INDICE DE TABLAS Tabla 1.1: Escala de viento de Beaufort... 7 Tabla 1.: Consumo eléctrico promedio mensual de una vivienda rural... 9 Tabla 4.1: Velocidades de viento promedio mensual en Paraguaná Tabla 4.: Velocidad de viento promedio mensual en El Yaque, Isla de Margarita Tabla 4.3: Comportamiento de la turbina fuera del punto de operación para diferentes puntos nominales de operación Tabla 5.1: Clases de viento de la IEC Tabla 5.: Análisis de riesgo para configuraciones de buje... 8 Tabla 6.1: Características generales del prototipo Tabla 7.1: Análisis de riego para diferentes configuraciones de sistema de control

10 v INDICE DE GRÁFICOS Gráfico.1: Coeficiente de potencia y Coeficiente de empuje en función de a... 4 Gráfico.: Coeficiente de empuje en función de a para diferentes expresiones... 7 Gráfico.3: Coeficiente de empuje en función de a. Glauert, Spera, Prandtl... 8 Gráfico.4: Coeficiente de potencia para diferentes condiciones de sustentación y arrastre Gráfico 4.1: Coeficiente de potencia vs. Razón de velocidad... 4 Gráfico 4.: Velocidad de viento en el tiempo para la primera semana de mayo de 007 en Playa el Yaque, Margarita Gráfico 4.3: Distribución de Weibull para registros de viento en El Yaque, Isla de Margarita, para los meses desde mayo a agosto de Gráfico 4.4: Coeficiente de sustentación vs. Ángulo de ataque para Re= Gráfico 4.5: Coeficiente de sustentación vs. Ángulo de ataque para Re= Gráfico 4.6: Coeficiente de sustentación entre coeficiente de arrastre para el perfil E Gráfico 4.7: Coeficiente de sustentación entre coeficiente de arrastre para el perfil FX Gráfico 4.8: Coeficiente de sustentación entre coeficiente de arrastre para el perfil S Gráfico 4.9: Coeficiente de sustentación entre coeficiente de arrastre para el perfil S Gráfico 4.10: Coeficiente de sustentación entre coeficiente de arrastre para el perfil SD Gráfico 4.11: Coeficiente de sustentación entre coeficiente de arrastre para el perfil SH Gráfico 4.1: Cociente entre coeficiente de sustentación y coeficiente de arrastre para los perfiles seleccionados a Re= Gráfico 4.13: Cociente entre coeficiente de sustentación y coeficiente de arrastre para los perfiles seleccionados a Re= Gráfico 4.14: Re a lo largo de la pala para diferentes valores de razón de velocidad... 6 Gráfico 4.15: Re a lo largo de la pala para diferentes condiciones de coeficiente de sustentación... 63

11 vi Gráfico 4.16: Re a lo largo de la pala para condiciones diferentes de radio de pala Gráfico 4.17: Re a lo largo de la pala para diferentes condiciones de velocidad de diseño Gráfico 4.18: Cuerda vs. Distancia radial adimensional para diferentes valores de razón de velocidad, bajo una configuración de tres álabes y un radio de pala fijo Gráfico 4.19: Cuerda vs. Distancia radial adimensional para diferentes valores de Cl, bajo una condición de tres álabes y un radio de pala fijo Gráfico 4.0: Cuerda vs. Distancia radial adimensional de la pala para diferentes valores de radio de pala, bajo una configuración de tres álabes y razón de velocidad fija Gráfico 4.1: Curva de potencia del aerogenerador... 7 Gráfico 7.1: Curva de potencia del aerogenerador en función de la velocidad de giro para diferentes condiciones de diseño Gráfico 7.: Curva de potencia del aerogenerador en función de la velocidad de diseño para diferentes condiciones de diseño

12 vii INDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Balance energético venezolano [1]... 5 Figura 1.: Mapa eólico venezolano. Año Figura.1: Aerogeneradores en sus principios, enfocados al bombeo de agua Figura.: Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal Figura.3: Circulación de los vientos a nivel mundial Figura.4: Viento a través de un aerogenerador Figura.5: Esquema de velocidades en el rotor. Se visualizan las zonas 1,,4 y 4 con sus velocidades respectivas Figura.6: Perfil aerodinámico Figura.7: Triángulo de velocidades en el perfil Figura 4.1: Curva de duración de potencia para el aerogenerador respecto a la curva de Weibull Figura 5.1: Vista frontal del generador eléctrico coreano Figura 5.: Buje diseñado para la segunda opción de diseño Figura 5.3: Buje diseñado para la primera opción de diseño Figura 5.4: Eje principal de la turbina Figura 5.5: Eje vertical Figura 5.6: Veleta Figura 5.7: Estructura interna de soporte para el aerogenerador segunda opción... 9 Figura 5.8: Estructura interna de soporte para el aerogenerador primera opción... 9 Figura 5.9: Carenados para ambas opciones Figura 5.100: Soporte del eje vertical Figura 5.11: Estructura interna inicial del álabe Figura 6.1: Aerogenerador primera opción. Apariencia transparente Figura 6.: Aerogenerador segunda opción. Apariencia transparente

13 viii NOMENCLATURA Grados sexagesimales ºC Grados centígrados % Porcentaje α Ángulo σ U Desviación estándar λ υ ρ φ ω a a.m. ap B c c e C d C l cm CO Cp Cp máximo C T da df dfa dfu dm dr ds E k f Razón de velocidad Viscosidad cinemática del fluido Densidad del aire Angulo de ataque Velocidad de giro Coeficiente de inducción axial Ante meridiam Coeficiente de inducción angular Número de alabes Cuerda del perfil Factor de escala Coeficiente de arrastre Coeficiente de sustentación Centímetro Dióxido de carbono Coeficiente de potencia Coeficiente de potencia máximo Coeficiente de empuje Diferencial de fuerza de arrastre Diferencial de fuerza resultante Diferencial de fuerza axial Diferencial de fuerza útil Diferencial de masa Diferencial de radio Diferencial de fuerza de sustentación Energía cinética Frecuencia de corriente alterna

14 ix k Kg kw kwh m m/s n N pp NO x p (U) p.m Pot necesaria P viento R Re r o RPM T U U 1 U 4 U prom USB V V tang W Factor de forma Kilogramos Kilovatio Kilovatio hora Masa, metros Metros por segundo Velocidad de giro en RPM Número de pares de polos Oxido nitroso Probabilidad de velocidad Post meridiam. Potencia nominal necesaria Potencia del viento Distancia Buje Pala Número de Reynolds Radio base Revoluciones por minuto Momento lineal Velocidad de viento Velocidad de viento inicial Velocidad de viento final Velocidad de viento promedio Universidad Simón Bolívar Velocidad, Velocidad de viento en el rotor Velocidad tangencial del rotor Velocidad relativa del viento

15 1 INTRODUCCIÓN En Venezuela y el mundo se ha visto la necesidad de buscar fuentes alternas de energía. Primordialmente las razones se fundamentan en bajar el consumo de los combustibles fósiles, logrando en el tiempo la disminución de las emanaciones de CO y NO x que se depositan día a día en la atmósfera terrestre. En adición a los factores ambientales, se puede mencionar que en algunos países el costo de la gasolina y toda la gama de combustibles fósiles es bastante elevado. La motivación principal es combinar los aspectos tanto económicos como ambientales para crear una conciencia colectiva referente al uso de tecnologías de generación de energía, fundamentadas en recursos limitados que generan consecuencias ambientales y económicas. Venezuela presenta un marco diferente al resto de los países cuya economía no se basa en la explotación petrolera, sin embargo, la nación ha olvidado la infinidad de recursos naturales presentes ahogándose en el oro negro. La implementación de energías renovables en Venezuela traería innumerables beneficios dentro de los campos ambientales y económicos. La idea es no sustituir una fuente de energía por otra, sino realizar una simbiosis entre ellas, de manera de llenar los vacíos que se crean por las limitaciones de cada una. Las energías alternativas toman como fuente energética elementos naturales que se clasifican como virtualmente inagotables, ya que son capaces de regenerarse mediante procesos de la naturaleza. Entre las fuentes más importantes de energías renovables tenemos el sol, el agua, el calor de la tierra, y el viento. La energía eólica o energía proveniente del viento, se encuentra dentro de las energías alternativas, como una de las ciencias más desarrolladas e investigadas actualmente.

16 La energía eólica nace en Europa, específicamente en Dinamarca. Hoy por hoy, países como Alemania y España se sitúan al nivel de Dinamarca, conformando los países europeos más desarrollados en este tema, sin embargo, el resto del viejo continente ha implementado en gran medida este tipo de energía. En un futuro se espera aprovechar el recurso eólico presente en todos los lugares del mundo. La utilización del viento como fuente de energía, proporciona electricidad a sus usuarios con un impacto ambiental casi nulo sin un gasto de combustible constante, ya que la naturaleza lo proporciona. El objetivo principal de este trabajo es el diseño de un aerogenerador de 5 kw de potencia destinado al suministro de energía eléctrica a poblaciones alejadas de la red eléctrica venezolana. Entre las ubicaciones tentativas de la máquina se encuentran las zonas costeras, debido principalmente a que los vientos en estos lugares se caracterizan por ser los más elevados del país. La Isla de Margarita, la península de Paraguaná, el archipiélago de Los Roques, y la Península de la Guajira, son los lugares específicos donde eventualmente se puede ubicar la máquina. El presente proyecto nace de las investigaciones previas realizadas sobre energía eólica en el país. Específicamente la tesis realizada por los ingenieros Gerald Mayoral y Aníbal Graterol, basada en el diseño de un aerogenerador de 1 kw de potencia, realizada como proyecto de grado en la Universidad Simón Bolívar para el año de 006. De la tesis anteriormente citada, se utilizó un algoritmo de cálculo que genera la geometría de los álabes para una condición óptima de funcionamiento. El proceso de cálculo o algoritmo fue revisado, mejorado y adaptado en función del diseño que se presentará en este trabajo. El proyecto se limita al diseño de la máquina de 5 kw. Posteriormente se espera entrar en una fase de construcción que permita la evaluación del prototipo, para que en un futuro se desarrollen otros proyectos referentes a energía eólica, utilizando la información aprendida. La fase de construcción no entra en el ámbito de este trabajo, sin

17 3 embargo, todo el diseño realizado se pensó en base a las limitaciones constructivas presentes en Venezuela, desde la selección de los materiales hasta la geometría de los componentes. En el transcurso de la lectura, se observará todo el proceso que conllevó el diseño de la máquina de 5 kw. Se empezará por un recorrido acerca de los aspectos teóricos más importantes en los que se basa el comportamiento de los aerogeneradores. Es pertinente señalar que uno de los comportamientos teóricos más simples sobre las máquinas eólicas determinará una de las condiciones de diseño más importantes. Seguidamente se entrará en el diseño aerodinámico, conformado por los pasos que se siguieron para darle la geometría al álabe de la turbina. La forma de la pala o álabe se efectuó para una condición de flujo determinada, junto con las exigencias estructurales que debe resistir el mismo. Consecuentemente, el aerogenerador no es solo las palas, de manera que se realizó el diseño mecánico de todos los elementos que conforman la máquina. Las estimaciones de cargas bajo criterios de diseño proporcionaron las fuerzas respectivas que debe soportar el aerogenerador para condiciones determinadas. Como resultado, se obtuvieron dos propuestas de aerogeneradores de 5 kw de potencia nominal, fundamentadas en dos opciones de generadores eléctricos a utilizar. Ambos se diseñaron para las mismas condiciones de flujo y las mismas cargas estructurales.

18 4 CAPÍTULO 1 1. Planteamiento del problema. 1.1 Problemática global. El aumento geométrico de la población motiva a la búsqueda de fuentes de energías alternativas que satisfagan los vacíos potenciales de energía que se proyectan para años futuros en Venezuela y el mundo. Si se observa a detalle a Venezuela, se evidencia la división del país en dos mundos. El primero corresponde a un grupo de personas que disfrutan de una calidad de vida digna con todas las necesidades elementales cubiertas. Pero el segundo, representa una gran cantidad de personas que viven al margen de la sociedad. Se hace referencia a esta realidad ya que hoy en día un gran porcentaje de venezolanos no tienen acceso a la electricidad. Según las estadísticas de la ONU/INE/BM/UNICEF/UNESCO [1], el 10% de la población para el año del 005 carecía de energía eléctrica. En base a estos datos, se observa la cantidad de población que se encuentra o se sigue encontrando marginada. Para que estas personas se integrasen a la sociedad, se debería ofertar al menos un 10% extra energía eléctrica. Consecuentemente, es necesario crear nuevas infraestructuras que permitan generar este remanente de energía, y esto sin contar con el crecimiento constante de la población que seguirá demandando energía. La realidad energética que se avecina en el país se puede observar en la figura a continuación. Los pronósticos de demanda eléctrica sobrepasan los valores de oferta para la infraestructura actual. En consecuencia, es necesario buscar nuevas alternativas. Ver figura 1.1.

19 5 Figura 1.1 Balance energético venezolano [1] La situación pronosticada en la figura 1.1 motiva a muchas empresas venezolanas especializadas en generación de energía, tanto termoeléctrica como hidroeléctrica, a que se interesen cada vez más en las denominadas fuentes de energía renovables. Según las estadísticas mundiales de la IEA ENERGY STATISTICS [], el crecimiento de las renovables ha aumentado de un 0,1% al 0,5% desde el año 1973 hasta el 001. A nivel nacional, ya para el año 015 existirá una demanda energética que será pertinente suplir, y es por esto que la energía eólica, al ocupar un lugar dentro de las energías renovables, será una de las alternativas a seguir para lograr suplir las futuras demandas energéticas. Económicamente la energía eólica favorece al ahorro de combustibles fósiles que dejarán de consumirse en el territorio nacional para ser destinados a la venta. Simplemente no se trata de retirar una tecnología del mercado, sino más bien aprovechar aún mejor el petróleo que se explota, logrando así mayores ingresos al país. Ambientalmente, la implementación de una tecnología limpia con una fuente de combustible casi infinita, logra en el tiempo bajar las emisiones de CO, NO X y muchos

20 6 otros compuestos gaseosos que se alojan constantemente en la atmósfera, produciendo la desmejora de la calidad del aire que se respira. Es evidente que la disminución de ellos significaría una mejora a la salud, y sin contar la infinidad de aves y animales marinos que se ven afectados cuando ocurren los nunca deseados derrames petroleros. Ahora bien, combinando los factores ambientales con los factores económicos, se ha dejado de pensar el cuanto cuesta salvar los animales marinos después de un derrame, se ha dejado de pensar los millones de dólares invertidos en investigación médica por casos de asma y fallas respiratorias, se ha dejado de pensar lo que costaría como humanidad cuando los casquetes polares se derritiesen a causa del calentamiento global, en fin, existen una extensa cantidad de costos indirectos que se han expendido en arreglar los daños que conciente o inconcientemente han producido años de tecnologías sucias. Es importante mencionar que éste tipo de energías han contribuido en gran parte al desarrollo de la humanidad, sin embargo es necesario seguir el proceso evolutivo pero con una conciencia ambiental de manera de preservar el lugar donde habitan los seres humanos. La energía eólica es una alternativa que implementa el desarrollo sustentable como primicia, logrando en el término de la distancia, la mejora de la calidad de vida tanto de la humanidad, como la del planeta Problemática específica Se tomará como base estudios previos sobre energía eólica nacionales, específicamente la tesis realizada por los ingenieros Gerald Mayoral y Aníbal Graterol para el año 006 en la Universidad Simón Bolívar [3], basada en el diseño de un aerogenerador de 1kW de potencia para zonas rurales. En base a esta exitosa tesis, nace este proyecto con una motivación similar, con la diferencia de aumentar notablemente la potencia de la máquina y consecuentemente, su ubicación. Este proyecto se basa en el diseño de un aerogenerador de 5kW de potencia, pero para lograr que esta máquina genere tal potencia, es necesario ubicarla zonas donde los vientos, en promedio, sean mucho mayores a los que se encuentran en el interior del

21 7 país. Según la escala de Beaufort [4], la intensidad de los vientos se puede apreciar en la siguiente tabla. Tabla 1.1: Escala de viento de Beaufort Velocidad del viento Términos usados en las predicciones del Fuerza Beaufort (m/s) NWS 0 0 a 0. Calma a 1.5 Ventolina 1.6 a 3.3 Brisa muy débil a 5.4 Brisa débil, flojo a 7.9 Bonacible, brisa moderada a 10.7 Brisa fresca, fresquito a 13.8 Fresco, brisa fuerte, moderado a 17.1 Frescachón, viento fuerte a 0.7 Temporal, viento duro a 4.4 Temporal fuerte, viento muy duro a 8.4 Temporal duro a 3.6 Temporal muy duro, borrasca 1 mayor a 3.7 Temporal huracanado La tabla 1.1 expone cómo se clasifican los vientos dependiendo de la velocidad que se mida en promedio en un lugar determinado. Entendiendo que la velocidad de viento varía impredeciblemente, se pueden construir mapas de viento que presenten las velocidades promedio a lo largo de una medición de calidad, logrando así una idea gráfica del recurso en un área determinada. Existen otros factores que determinan la velocidad del viento, pero este aspecto será explicado a profundidad a lo largo de la lectura Recurso eólico en Venezuela El recurso eólico se potencia principalmente en las costas con vientos clase 6, y vientos clase 7 para la Península de Paraguaná, lugar idóneo para los emplazamientos eólicos en Venezuela. Las regiones al sur de la cordillera de la costa y la de los llanos presentan un potencial eólico notablemente disminuido comparado con el potencial de las zonas costeras. Las zonas ubicadas desde la línea que delimita el estado Bolívar

22 8 hacia el sur del país, no presentan un recurso eólico de calidad y por eso no aparecen tabulados en la figura 1.. El siguiente gráfico representa en cierta medida el recurso eólico venezolano, pero no necesariamente se comporta de ésta manera, ya que se tienen dudas sobre el origen de la data obtenida, pero sí se ilustra la distribución global de los vientos venezolanos. Figura 1.: Mapa eólico venezolano. Año 004 Gracias al potencial de eólico existente en la región costera, se consideran como locaciones tentativas para la máquina de 5kW la Isla de Margarita, La Península de Paraguaná, El archipiélago de los Roques y la Península de la Guajira. El diseño de esta máquina va dirigido para el suministro eléctrico de viviendas rurales que se encuentren en estos lugares. De manera más puntual, se ha comentado por voz popular que en los Roques existe una problemática bastante interesante. Debido a la ubicación del archipiélago, la comunidad se ve en la necesidad de utilizar plantas eléctricas a base de combustibles fósiles que son llevados a las islas en forma de barriles. Se ha visto que en algunas ocasiones los barcos que transportan los barriles no pueden aventurarse a quedarse encallados a la orilla de las playas, forzando a que el transporte de los mismos a las islas

23 9 sea en contacto directo con el mar, es decir, flotando hasta las costas. Sabiendo que el archipiélago es Parque Nacional, la disminución del potencial riesgo que se induce al transportar los barriles por el agua con la implementación de máquinas eólicas pequeñas, podría reducir la demanda de combustibles y evitar los potenciales derrames de estos hidrocarburos. Para este caso particular, la instalación de aerogeneradores trae bastantes beneficios Consumo eléctrico rural. En primera instancia, se puede estimar el consumo energético de una vivienda rural para observar la cantidad de carga que puede manejar un aerogenerador de 5 kw. Entre los artefactos eléctricos mas comunes dentro de una vivienda rural se encuentran los siguientes: 5 bombillos para alumbrado de la misma, cocina de dos hornillas, una nevera de alta eficiencia, un televisor a color de 19, un calentador de agua y un equipo de sonido. Según la empresa venezolana de electricidad llamada ENELBAR (Energía Eléctrica de Barquisimeto), se puede estimar el consumo promedio mensual en kwh de los artefactos mencionados en la tabla 1.. Tabla 1.: Consumo eléctrico promedio mensual de una vivienda rural Consumo diario Artefacto eléctrico (Kwh.) 5 bombillos incandescentes de 60W (8 horas) Nevera de 16 pies de alta eficiencia (4 horas) Equipo de sonido (3 horas) Calentador de agua 1000W (3 horas) Televisor 19 (5 horas) Cocina de hornillas ( horas) 1.50 Consumo promedio mensual Se debe recalcar que el consumo eléctrico varía dependiendo de las horas de funcionamiento de los artefactos eléctricos y a la cantidad de los mismos. La fuente tomada proporciona una idea del consumo promedio mensual de una vivienda rural para las necesidades de Barquisimeto. El consumo eléctrico puede variar según los requerimientos de otra ubicación geográfica, pero la información proporcionada permite realizar un estimado certero del comportamiento de la vivienda, a manera de tener un primer estimado de la carga de una vivienda rural.

24 10 1. Objetivos del proyecto Objetivo general Diseñar un aerogenerador de eje horizontal de 5 kw de potencia que supla la necesidad eléctrica de una vivienda rural ubicada en las zonas costeras del país, que funcione para el viento predominante, como modelo de estudio para el desarrollo de tecnologías nacionales que se adapten a proyectos futuros de implantación de este tipo de fuentes de energía. 1.. Objetivos específicos Puesta a punto de los algoritmos de cálculo utilizados para el diseño de aerogeneradores previos Estudio de perfiles aerodinámicos que satisfagan el diseño aerodinámico Diseño de los alabes con una geometría óptima para la velocidad de viento de diseño definida Diseño completo del rotor de la turbina Diseño mecánico de los elementos componentes del aerogenerador Especificaciones del generador eléctrico y del sistema eléctrico Diseño del sistema de orientación y del sistema de control Diseño del carenado Diseño de la torre de soporte Realización de los planos para la construcción

25 11 CAPÍTULO. Marco teórico.1 Aspectos generales sobre aerogeneradores Los aerogeneradores son máquinas diseñadas para convertir la energía cinética del viento en energía mecánica rotacional en un eje, y éste a su vez se acopla a un generador eléctrico y se produce energía eléctrica, bien sea para alimentar a una carga específica o para conectarse a la red eléctrica. Los aerogeneradores pueden ser de eje horizontal o eje vertical, sin embargo, se hará referencia específicamente de las máquinas de eje horizontal ya que son el tema esencial de este trabajo. Las HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) llamadas de esta manera por sus siglas en inglés, turbina de viento de eje horizontal, son las máquinas que han dominado el mercado debido a que presentan mejor desempeño respecto a otras configuraciones, como por ejemplo las de eje vertical. La ventaja de aprovechar el movimiento lineal del viento para producir un movimiento rotativo en un eje, permite inducir velocidades elevadas de rotación, aprovechando las velocidades de viento que se encuentran a alturas elevadas gracias al uso de la torre. Las HAWT fueron utilizadas desde los tiempos antiguos para tareas cotidianas como el bombeo de agua. En la siguiente figura se observa un molino de viento antiguo. Figura.1: Aerogeneradores en sus principios, enfocados al bombeo de agua.

26 1 Observando a detalle, se resalta el tímido desarrollo de la construcción de los álabes, llamados también palas, que son las piezas que captan la energía del viento, produciendo el movimiento rotativo en el eje. Resaltado en la figura.1 se visualiza la apariencia tubular pulida de los mismos, proveniente de láminas metálicas en algunos casos de madera o incluso tela cortadas para dar la forma curveada. La implementación de estos materiales representaba grandes problemas debido a la exposición a los elementos de la naturaleza, bien sea la lluvia, la humedad o el sol. El deterioro progresivo debido al medio ambiente llevó a los investigadores a buscar nuevas alternativas constructivas. El desarrollo de las fibras poliméricas con bases de fibra de vidrio y de carbono ha representado la punta de lanza actualmente, ya que son materiales que siendo más livianos que los metales, resisten grandes esfuerzos estructurales y no deterioran con el medio ambiente. En la actualidad, el desarrollo sobre la geometría de las palas mejora continuamente, gracias a los centros de investigación donde se prueban geometrías definidas y se investigan nuevos modelos matemáticos para su modelación. La producción de energía de una máquina eólica se basa en la extracción de energía del aire cuando éste se desplaza de un punto a otro, y en el camino, la máquina extrae y transforma parte de esta energía cinética en forma de rotación, por medio de unos elementos diseñados específicamente para esta tarea llamados alabes o palas del aerogenerador. Como se ha mencionado anteriormente, el aerogenerador está sometido constantemente al medio ambiente, cosa que exige mucho a la máquina desde el punto de vista de diseño, ya que debe estar configurada para resistir fluctuaciones del flujo, vientos cruzados, o incluso, estar preparada para las peores condiciones ambientales. Se hace referencia a este punto ya que las cargas aerodinámicas inducidas en los rotores de estas máquinas son bastante grandes cuando el viento aumenta notablemente, entendiendo por rotor a la pieza mecánica conformada por las palas y su soporte.

27 13 Inicialmente se pueden hacer estimados de las cargas tanto estáticas como dinámicas mediante el uso de las mediciones de viento promedio de la zona, de manera de predecir una carga media a la cual se someterá el aerogenerador. La importancia de las mediciones a la hora de un emplazamiento será explicada mas adelante ya que conlleva la explicación del recurso eólico, y los principios de diseño de cada componente del aerogenerador en detalle..1.1 Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal Debido a que el proyecto se basa en el diseño de un aerogenerador de eje horizontal, se deben mencionar los componentes principales de este tipo de máquinas. A continuación en la figura., se presentan las partes principales de un aerogenerador y su ubicación en el mismo. Figura.: Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal.

28 14 A continuación se describen las partes más importantes de un HAWT. Álabes o Palas: Son las estructuras más importantes de la turbina, debido a ellas se trasmite eficientemente la energía cinética del viento al eje principal de potencia. Debido a su perfil aerodinámico, crean zonas de baja y alta presión que inducen fuerzas en la cara de la pala que da contra el viento. El diseño de esta pieza involucra importantes variables aerodinámicas que serán explicadas posteriormente. La pala determina las cargas que se transmiten a toda la máquina. Buje: Es la parte de la turbina a la cual van acopladas las palas. Gracias a esta pieza la energía cinética captada por las palas se transmite al eje principal de la turbina para poder producir energía eléctrica. El buje está sometido constantemente a cargas aerodinámicas que se transmiten por las palas. El diseño de esta pieza debe satisfacer condiciones extremas de viento entre otras condiciones que serán explicadas más adelante. Multiplicador: Es simplemente una caja aumentadora de velocidad de giro que permite al aerogenerador lograr la velocidad de giro necesaria para acoplarse al generador eléctrico, debido a que el rotor gira a una velocidad mucho mas lenta que la velocidad de giro requerida por el generador eléctrico. Eje de baja velocidad: es el eje principal que se acopla directamente al rotor del aerogenerador. Generalmente va acoplado a la caja aumentadora. Eje de alta velocidad: se acopla directamente con el generador eléctrico en caso de existir multiplicadora. Posee una velocidad elevada de giro debido a las características de las máquinas eléctricas generalmente utilizadas en los diseños de gran potencia. Góndola: es la pieza que sostiene todos los elementos de la turbina, que unida a la torre proporciona la protección de todas las partes de la misma ante los elementos de la naturaleza.

29 15 Generador eléctrico: es la máquina que genera la electricidad que va a alimentar una carga específica o que puede conectarse a la red eléctrica. Las innovaciones continuas sobre generadores eléctricos han revolucionado algunos diseños particulares de aerogeneradores. Para efectos de éste proyecto se observará la diferencia entre la utilización de diferentes tipos de generadores eléctricos. Torre: es la pieza estructural más grande de toda la máquina. El asentamiento de la misma conlleva la aplicación de la ingeniería civil debido a las fundaciones necesarias que se utilizan y a otras razones estructurales. En las turbinas eólicas de eje horizontal la altura de la torre debe ser al menos lo suficientemente alta para que la punta de las palas no pegue en el suelo. Una vez elevada la máquina, es importante aprovechar el recurso eólico eficientemente ya que las velocidades de viento aumentan proporcionalmente en función de la altura respecto al suelo. A medida que la torre es más alta, los vientos serán más veloces con condiciones de flujo óptimas que permiten el buen desempeño de la misma..1. Alternativas de Diseño. Se presenta como resultado final dos alternativas de diseño de aerogenerador de 5kW. Concretamente se exponen dos máquinas perfectamente similares conceptualmente, con geometrías disímiles desde el punto de vista de diseño. En la Universidad Simón Bolívar se lleva a cabo un proyecto independiente que consiste en la adaptación de una máquina de inducción a una máquina eléctrica de imanes permanentes, que permite la generación de energía eléctrica a velocidades específicas de rotación para el aerogenerador. En pro de la utilización de éste generador eléctrico se realizará un diseño específico para adaptar esta máquina eléctrica al aerogenerador de 5kW. Adicionalmente, se ejecuta una segunda propuesta de diseño caracterizada por la utilización de un generador eléctrico de imanes permanentes producido por el fabricante de origen coreano SEOYOUNG TECH. CO., LTD, Renewable Energy Devices, que consta de excepcionales características para la generación de energía.

30 16. Principios Teóricos..1 El viento Se genera por el movimiento de las masas de aire en dependencia a la irradiación solar y el movimiento de rotación de la tierra. Como resultado se perciben las corrientes de viento, siendo aprovechadas por los fabricantes de turbinas eólicas. La ubicación geográfica y las condiciones específicas de terreno determinan la intensidad del mismo. En la figura.3 se observa de forma bastante simplificada las direcciones de los vientos junto con las masas de aire frías y calientes que constantemente interactúan entre sí. Figura.3: Circulación de los vientos a nivel mundial.

31 17.. Estudio del fenómeno Se toman las siguientes consideraciones para el desarrollo: El aire se considera un fluido incompresible No se estudian las interacciones de un álabe con otro No se toma en cuenta el flujo radial del aire por la pala El viento es un fluido en movimiento que contiene energía. La energía del mismo es proporcional a su velocidad. Si se observa la ecuación de energía cinética a continuación: Donde: m V E k 1 mv Ek = (.1) Es la masa que se encuentra en movimiento Es la velocidad a la que se mueve la masa. Es la energía cinética que contiene la masa en movimiento. Se observa que la energía cinética es directamente proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad según la ecuación Newtoniana de la física clásica. Debido a que se quiere calcular la potencia que contiene el viento, se necesita la tasa de energía en el tiempo. De manera que se denota el flujo másico del aire que pasa por el disco actuante de la turbina (disco barrido por las palas al girar) de la siguiente manera: Donde: dm = ρau (.) dm Es el flujo másico de aire que se encuentra en movimiento. ρ Es la densidad del aire. U Es la velocidad del viento.

32 18 Se combinan las ecuaciones.1 y. a manera de obtener como resultado la tasa de energía en el tiempo: 3 P viento = ρau (.3) El aspecto más importante de la expresión.3 es que la potencia que se puede extraer del viento es proporcional al cubo de la velocidad del mismo. Cuando el aire atraviesa la turbina la energía que contiene se transforma en energía de rotación y se transmite al eje principal. Debido a la transformación de energía el aire pierde velocidad. El aerogenerador no puede aprovechar completamente la energía presente en el viento, ya que existe una pérdida aerodinámica en el proceso. Si la máquina extrajese la totalidad de la energía del viento, este se frenara por completo al cruzar el disco de barrido. Sin embargo este comportamiento es poco probable ya que la masa de aire que se ubica en el disco en un momento determinado es impulsada por la masa de aire subsiguiente, como el flujo de agua por un río, que siempre se encuentra en movimiento. Lo mismo ocurre en la física de estas máquinas, y para ilustrar el comportamiento se puede observar la figura.4. Figura.4: Viento a través de un aerogenerador.

33 19 El viento inicialmente posee una velocidad V 1. Cuando traspasa el disco actuante se frena debido a la presencia de las palas, obteniendo una velocidad V. La velocidad de viento específica en el lugar donde se ubica el rotor no corresponde a la velocidad V 1 ni V. Si se utiliza la velocidad V 1 o V para calcular la potencia del viento se estaría cometiendo una mala aproximación. En consecuencia se realizan operaciones matemáticas para obtener el valor preciso. Se observa un esquema de las velocidades del viento y las zonas de estudio relevantes para el análisis del comportamiento de la máquina. Ver figura.5. Figura.5: Esquema de velocidades en el rotor. Se visualizan las zonas 1,,4 y 4 con sus velocidades respectivas.

34 0 A partir de la figura.5 se aplica la conservación del momento lineal al volumen de control definido por las zonas 1 y 4, suponiendo que el flujo es constante en el tiempo, incompresible y unidimensional. La expresión resulta de la siguiente manera: Donde T = U (.4) 1 ( ρau) 1 U 4 ( ρau) 4 T (ρau) i U 1 U 4 Momento lineal Flujo másico en ambas posiciones Velocidad de viento inicial Velocidad de viento final En estado estable, los flujos másico son iguales. Se asume que la cantidad de masa antes y después del área de barrido es equivalente y se obtiene la siguiente condición: ( ρ AU) = ( ρau (.5) 1 ) 4 Gracias a éste comportamiento teórico resulta la siguiente expresión: T = dm( U ) 1 U 4 (.6) Se entiende dm como el flujo másico en el tiempo. Consecuentemente se aplica la ecuación de Bernoulli entre los dos volúmenes de control implícitos en la figura.5, denotados como las zonas de 1 a, y de 3 a 4 respectivamente. p ρ U1 = p + ρu (.7) 1 1 p3 + ρ U 3 = p4 + ρu 4 (.8)

35 1 Se asume que las presiones aguas arriba y aguas abajo son iguales, de forma que p 1 es igual a p 4. La velocidad en el disco se mantiene igual, siendo U igual a U 3. Se resuelve el sistema utilizando las ecuaciones (.7) y (.8) para escribir la ecuación de la conservación de momento lineal de la siguiente manera: T = A ( p ) 3 (.9) p Seguidamente se despeja (p -p 3 ) de las ecuaciones de Bernoulli (.7) y (.8), para sustituirlas en la ecuación (.9) llegando a la siguiente expresión: T 1 = ρ A ( U1 U 4 ) (.10) Se igualan las ecuaciones del momento (.7) y (.8), tomando como flujo másico el valor de A U. Obteniendo la siguiente expresión: U ( U1 + U 4 ) = (.11) De ésta manera se evidencia teóricamente el valor de la velocidad de viento cuando atraviesa el disco de barrido de la turbina. Adicionalmente, se puede introducir un parámetro adimensional importante a la hora de entender la aerodinámica de las turbinas de viento, llamado el coeficiente de inducción axial, definido por la siguiente expresión: a U U U 1 = (.1) 1 El coeficiente de inducción axial proporciona una idea de cuanto se reduce la velocidad del viento libre al atravesar la máquina.

36 Manipulando las ecuaciones anteriores se puede escribir los valores de U y U 4 en función del coeficiente de inducción axial, dando como resultado las siguientes expresiones: U = U (1 1 ) (.13) a U = U (1 1 ) (.14) 4 a Seguidamente se puede escribir la ecuación de la potencia del aerogenerador en función del coeficiente de inducción axial. 1 1 P = ρ A ( U1 U 4 ) U = ρau ( U1 + U 4 )( U1 U 4 ) (.15) Se sustituyen los valores de U 4 y U de las expresiones (.13) y (.14) obteniendo la expresión para la potencia de la turbina en función del coeficiente de inducción axial de la siguiente manera: P 1 3 = ρ AU 4a( a a) (.16) El resultado anterior es de suma importancia ya que permite introducir un nuevo parámetro importante denominado coeficiente de potencia, el cual se denota de la siguiente manera: P Cp = 1 3 ρu A (.17)

37 3 Se caracteriza por el cociente entre la potencia mecánica del rotor entre la potencia contenida en el viento, representando en cierta medida el rendimiento de la turbina. De igual manera se puede escribir el coeficiente de potencia en función del coeficiente de inducción axial: Cp = 4a(1 a) (.18) Derivando la expresión (.18) en función de a e igualándola a cero, se puede encontrar el valor de a para el cual el coeficiente de potencia es máximo, dando como resultado a=1/3, por lo tanto: 16 Cp máximo = = (.19) 7 Esto implica que sólo se puede extraer el 59,6% de la energía contenida en un flujo de aire en movimiento. Esta condición se conoce como el límite de Betz [5]. Hoy por hoy, las mejoras en los diseños de aerogeneradores permiten obtener valores de coeficiente de potencia muy cercanos a este límite teórico. Se han realizado diversas investigaciones sobre la capacidad de extraer energía del viento que superan el valor límite de Betz, sin embargo se toma como base la teoría Betz a manera de adquirir resultados conservadores. El coeficiente de potencia del aerogenerador se ve afectado por el desempeño de sus componentes tanto eléctricos como mecánicos, de los cuales se hablará a detalle más adelante. Adicionalmente a los parámetros anteriormente citados, se puede determinar otro parámetro adimensional que determina el comportamiento de la máquina, denominado coeficiente de empuje. Se define como el cociente entre la fuerza que ejerce la masa de viento incidente en el disco de barrido de las palas entre la fuerza dinámica del viento. Observado la expresión a continuación: C T T = 1 ρ AU (.0)

38 4 Tomando en cuenta el valor de T en función del coeficiente de inducción axial: T 1 = ρ AU1 (4a(1 a)) (.1) El valor teórico de la ecuación del coeficiente de empuje presenta un máximo de 1,0 cuando a equivale 0,5. El coeficiente de empuje C T equivale a 8/9 cuando el valor de a es de 1/3. El comportamiento cuadrático de la expresión.1 no resulta lógico a partir de a=0,5. La expresión implica que el empuje disminuye a medida que se tenga mayor resistencia al paso del flujo. En consecuencia es necesario analizar a detalle el rango de valores válidos que proporcionan las ecuaciones de C T. Graficando el comportamiento de las ecuaciones de coeficiente de inducción axial y de coeficiente de potencia resulta lo siguiente: Magnitud Coeficiente de Empuje Coeficiente de Potencia Coeficiente de Inducción Axial Gráfico.1: Coeficiente de potencia y Coeficiente de empuje en función de a La teoría de Betz resulta válida para el intervalo de valores de a desde 0 hasta 0,5. Para ilustrar el motivo de análisis de la ecuación, se puede tomar como ejemplo el comportamiento del empuje que siente una pared de cara perpendicular al flujo de viento, con el que sentiría la misma pared si se ubicase de cara paralela al mismo flujo. Lógicamente la pared de cara perpendicular siente más empuje que la de la cara paralela. En consecuencia se buscó la necesidad de investigar sobre el fenómeno y

39 5 escribir las relaciones empíricas que proporcionen el comportamiento más adaptado a la realidad..3 Estudio del comportamiento de las ecuaciones Se verificaron las ecuaciones utilizadas para el cálculo de las variables aerodinámicas presentes en el algoritmo de cálculo desarrollado por los ingenieros nombrados en el CAPÍTULO 1, de manera de optimizar y mejorar los aspectos necesarios para poner a punto la metodología de cálculo..3.1 Coeficiente de empuje vs. Inducción axial Se estudia el comportamiento de diferentes ecuaciones que explican y modelan las variaciones del valor del C T. Las ecuaciones que se analizan a continuación tienen diferentes consideraciones, unas más antiguas que otras que no dejan de ser importantes por su definición cronológica, sin embargo son necesarias para mejorar el algoritmo de cálculo. La teoría de Prandtl y Glauert describe el comportamiento del coeficiente de empuje cuando el valor de a sobrepasa el valor de 0,5. Es importante realizar el estudio del coeficiente de empuje ya que en base a éstos números adimensionales se determina el rendimiento teórico de la máquina. Se debe controlar el empuje que ejerce el viento al pasar por el disco de barrido a manera de no generar reacciones estructurales excesivas que carguen la máquina. Adicionalmente existe un fenómeno que produce la reducción de la eficiencia de la turbina denominado como estela en rotación. Este fenómeno le induce movimiento de rotación al flujo debido al giro del rotor, generando una estela que se aleja de la turbina describiendo una hélice. El momento angular inducido en el flujo va determinado por las velocidades angulares que se producen. Si el flujo de aire presenta un movimiento rotativo antes de pasar por el rotor se produce una disminución en la extracción de energía cinética del viento, y en consecuencia se producen pérdidas de origen aerodinámico. Las máquinas que poseen velocidades elevadas de rotación presentan

40 6 menores pérdidas por la rotación de la estela que las máquinas que tienen velocidades de rotación menores. Otro factor que puede afectar el coeficiente de empuje son las pérdidas que ocurren en las puntas de las palas, ya que en ésta parte del álabe se puede producir desprendimiento de flujo. En orden de encontrar el comportamiento más adecuado del coeficiente de empuje, se analizan las siguientes expresiones empíricas que consideran los aspectos anteriormente mencionados. Ecuación de Glauert sin pérdidas en la punta: 0,003 ( a 0,143) C T = 0,889 (.) 0,647 Ecuación de Glauert con pérdidas en la punta: 0,003 ( a F 0,143) C T = 0,889 (.3) 0,647 Ecuación de Prandtl sin pérdidas en la punta: 1,6 C T = + 0,8 a a (.4) Ecuación de Prandtl con pérdidas en la punta: C T 1,6 = + 0,8 a F + ) 3 3 ( a F (.5) Ecuación de David Espera con pérdidas en la punta: C T = 4 F ( 0,04 + 0, 6 a) (.6)