DISEÑO DEL CONO

El material seleccionado para el cono es fibra de vidrio debido a sus propiedades como el bajo peso, además su bajo costo respecto a materiales con las mismas propiedades. El diseño de este se restringe con los componentes a los cuales protege, su interior es hueco ya que de esta forma su peso se reduce al mismo tiempo que su precio. Su diseño cónico se debe a que facilita el flujo del aire hacia las palas. En la imagen 13 se puede observar el diseño realizado por los autores, teniendo como referencia modelos existentes;

87 4.8 SELECCIÓN DE ALTERNADOR

Los alternadores apropiados para aerogeneradores de mediana potencia41 _que

giran a velocidad variable son los alternadores síncronos de imanes permanentes, estos evitan el uso de una caja multiplicadora. Aunque en el capítulo 3 se definió que el aerogenerador llevaría una caja multiplicadora y por lo tanto un eje de alta velocidad y un eje de baja velocidad se realizará con una conexión directa, es así que la conexión es entre el rotor y el alternador, permitiendo disminuir las dimensiones de la góndola, el peso de la misma y además un menor mantenimiento. La figura 14 muestra la velocidad específica o el tip speed ratio (λ) de diseño para distintos tipos de rotores, como se dijo al inicio del capítulo 3 el aerogenerador será trípala debido a su menor emisión de ruido, menor nivel de vibraciones disminuyendo el efecto de la fuerza centrífuga, para este caso la velocidad especifica tiene un valor de 6;

Imagen 14. Velocidad específica para diferentes aerogeneradores

Fuente: VILLARRUBIA, López, Miguel, Ingeniería de la Energía eólica, 2013, Barcelona España

Utilizando la ecuación de la velocidad específica se determina la velocidad de rotación del rotor;

𝜆 =𝑢 𝑣 = Ω ∗ 𝑅 𝑣 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑛 ∗ 𝑅 60 ∗ 𝑣 Donde;

𝜆 = Tip speed ratio o Velocidad especifica (6)

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𝑢 = Velocidad lineal del extremo de la pala del rotor (m s⁄ ) 𝑣 = Velocidad del viento nominal (m s⁄ )

Ω = Velocidad angular de rotación del rotor (rad s⁄ ) 𝑅 = Radio del rotor (m)

𝑛 = Velocidad de rotación del rotor (rpm) Despejando la velocidad de rotación;

𝑛 =𝜆 ∗ 60 ∗ 𝑣 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑅 Reemplazando; 𝑛 = 6 ∗ 60 ∗ 11 𝑚 𝑠 2 ∗ 𝜋 ∗ 4,75 𝑚 𝑛 = 1 𝑟𝑝𝑚

También se debe encontrar el par o momento en el eje del rotor por medio de la siguiente ecuación;

𝑃 = 𝑀 ∗ Ω Donde;

𝑃 = Potencia eólica del rotor (kW) 𝑀 = Momento en el eje del rotor (kN m)

Ω = Velocidad de rotación del rotor del generador (rad s⁄ )

Utilizando la ecuación de velocidad específica 𝜆, se puede determinar la velocidad angular de rotación del rotor del generador Ω;

𝜆 =Ω ∗ 𝑅 𝑣 Despejando;

Ω =𝜆 ∗ 𝑣 𝑅

89 Reemplazando los valores;

Ω =6 ∗ 11 m s⁄

4,75 𝑚 = 1 ,9 𝑟𝑎𝑑 𝑠

Ahora despejando el momento de la ecuación que relaciona con la potencia eólica del rotor;

𝑀 =𝑃 Ω

La potencia eólica del rotor es la misma potencia eólica real captada, reemplazando los valores se encuentra que el Momento en el eje del rotor es;

𝑀 = 20 𝑘𝑊 1 ,9 rad s

𝑀 = 1,4 𝑘𝑁 𝑚 = 1.4 9, 9 𝑁𝑚

Teniendo las revoluciones por minuto con la potencia requerida, se realiza una búsqueda por catálogo con las siguientes especificaciones;

Cuadro 12. Especificaciones de alternador Tipo de alternador Potencia nominal (kW) Revoluciones por minuto (rpm) Frecuencia (Hz) Momento (Nm) Síncrono de Imanes permanentes 20 133 60 1.439,39

En la imagen 15 se puede observar el alternador de imanes permanentes seleccionado;

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Imagen 15. Alternador EV 315

Fuente: Soga energyteam. Disponible en: http://www. Sogaenergyteam.com/

El alternador seleccionado es fabricado por la empresa SOGAENERGIES modelo EV 315 S, comercialmente se encuentra disponible para velocidades hasta 120 rpm, sin embargo en una conversación realizada por medio electrónico con la empresa42_,

se comenta que es posible personalizarlo en orden de lograr la velocidad requerida con el voltaje máximo adecuado, sin necesidad de modificar sus dimensiones. Véase los anexos E y F tanto las especificaciones técnicas como las dimensiones. 4.9 DISEÑO DE EJE DE TRANSMISIÓN

El eje transmite la potencia del rotor al eje del alternador, sobre este está montado el freno mecánico, un rodamiento con base (chumacera) y un acople. Para poder seleccionar los anteriores componentes es necesario hallar el diámetro mínimo utilizando la ecuación encontrada en el libro diseño de ingeniería mecánica de Shigley; 𝑑 = [ 2 ∗ 𝑛 𝜋 ∗ 𝑆𝑌 ∗ (𝑀2 + ∗ 𝑇 2 4 ) 1 2 ] 1 3 Donde;

𝑑 = Diámetro mínimo del eje (m) 𝑛 = Factor de seguridad

42 RAMOS, María. RE: In: web request – attention to: SALES DEPT. [En línea]. Message to: Davide,

91 𝑆𝑌 = Esfuerzo último del material (Pa)

𝑀 = Momento flexionante (N m) 𝑇 = Momento torsor (N m)

El material que se evalúa para el diseño del eje es Acero AISI 1045, esté tiene un esfuerzo máximo de 640 MPa, un límite de fluencia de 540 MPa, es dúctil y uniforme cumpliendo con los requerimientos para la fabricación de elementos de trasmisión de potencia. Estos datos se pueden confirmar con el anexo G, con la empresa Steel&ytube quien provee este material. Una vez seleccionado el material se define un factor de seguridad de 2 como lo sugieren varios autores en el diseño de ejes. La flexión ocasionada por el peso del rotor en el eje es mínima en comparación con el momento torsor ocasionado por la rotación que se presenta. En la figura 27 se puede observar el montaje del eje;

Figura 27. Montaje del eje del aerogenerador

El peso del rotor y los demás componentes es una carga puntual ubicada en los agujeros del disco del eje, el peso de los pernos y tornillos empleados en el sistema es mínimo a comparación con los demás componentes por esta razón es despreciado, para determinar el momento flector se toma el peso total calculado en el cuadro 13;

Cuadro 13. Peso de los componentes

Masa (kg) Peso (N) 111,82 1.096,99 44,36 435,22 15 147,15 Coronas (3) 88,45 867,69 Motorreductores (3) 24 235,44 283,63 2.782,50 Total Pitch Componentes Palas (3) Buje Cono

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El momento flector en el eje se puede determinar de la siguiente manera; 𝑀 = ∗ 𝑑

La fuerza en este caso es una carga puntual ocasionada por el peso del rotor y sus componentes, esta carga como se dijo anteriormente está ubicada en los agujeros que se encuentran en el disco del eje, esta carga en su caso más crítico la recibe la chumacera por esta razón, se halla el momento en este componente ya que en este es el momento máximo al que se somete el eje, en la figura 28 se puede observar su determinada distancia con la fuerza;

Figura 28. Carga del peso del rotor

Reemplazando;

𝑀 = 2.782,50 𝑁 ∗ (0,1475𝑚) 𝑀 = 410,91 𝑁 𝑚

Para definir de manera óptima el diámetro mínimo del eje, también se debe tener en cuenta el momento torsor ocasionado en el eje, este se halla mediante la siguiente ecuación;

𝑇 = 6 .000 ∗ 𝑃 𝑛 Donde;

𝑛 = Número de revoluciones por minuto

93 𝑃 = Potencia (HP)

Reemplazando;

𝑇 =6 .000 ∗ 28,78 𝐻𝑃

1 𝑟𝑝𝑚 = 12.7 4,56 𝑙𝑏 𝑖𝑛