Análisis de túneles de viento para pruebas de pequeñas turbinas eólicas

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial. Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales, CEETA. Título: Análisis de túneles de viento para pruebas de pequeñas turbinas eólicas.. Autor: Yosvani Ramírez Torres. Tutor: Dr. Ernesto Fariñas Wong 2017- 2018.

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(3) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 422815031419.

(4) i. PENSAMIENTO.

(5) ii. DEDICATORIA. Escriba aquí el texto de la dedicatoria (Opcional).

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Escriba aquí el texto de los agradecimientos (Opcional).

(7) iv. Resumen. La utilización de energías renovables tales como la eólica, en zonas donde la existencia de vientos y condiciones climáticas propias de la diversidad geográfica de nuestro país, ha motivado la idea de la utilización de la energía eólica de pequeña potencia, con tales fines se emprende el siguiente Trabajo de Diploma. En el presente trabajo se realizó un estudio bibliográfico sobre el estado de la tecnología acerca de turbinas eólicas de menos de 10 kW, con el propósito de conocer sus características y principio de funcionamiento; además de un estudio sobre los túneles de viento atendiendo a principales tipos, características y sus principales componente. A partir de estos estudios se propuso un túnel de viento subsónico de circuito abierto para el Centro Nacional de Energías Renovables con el fin de realizar ensayos y pruebas a estas turbinas eólicas. Para el diseño de este túnel se tomó como referencia las velocidades de trabajo de las turbinas seleccionadas y muestras de velocidades de vientos tomadas en diferentes partes de la provincia de Villa Clara por investigadores del Departamento del (CEETA) y se utilizó las normas internacionales “AMCA STANDARD 210” para la construcción del túnel..

(8) v. Abstract The use of renewable energies such as wind in areas where the existence of winds and climatic conditions typical of the geographical diversity of our country, has motivated the idea of the use of small-scale wind energy, for such purposes is undertaken on Next Diploma Work In the present work a bibliographic study was carried out on the state of the technology about wind turbines of less than 10 kW, with the purpose of knowing its characteristics and operation principle; In addition to a study on wind tunnels attending to main types, characteristics and their main components. Based on these studies, an open-circuit subsonic wind tunnel was proposed for the National Renewable Energy Center in order to carry out tests and tests on these wind turbines. For the design of this tunnel, reference was made to the working speeds of the selected turbines and samples of wind speeds taken in different parts of the province of Villa Clara by researchers from the Department of (CEETA); In addition to the use of international standards "AMCA STANDARD 210" for the construction of the tunnel..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii Resumen ..............................................................................................................................iv Introducción........................................................................................................................... 1 Capítulo 1: Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y principio de funcionamiento............................................................................................. 5 1.1. Actualidad y pertinencia del tema. ...................................................................... 5. 1.2. Disponibilidad de turbinas eólicas en el mercado mundial. ............................ 6. 1.3. Recurso eólico en el mundo. ............................................................................... 6. 1.4. Funcionamiento de los aerogeneradores. ......................................................... 8. 1.5. Tipos de aerogeneradores. .................................................................................. 8. 1.5.1. Aerogenerador de eje vertical. ..................................................................... 9. 1.5.2. Aerogenerador de eje horizontal. .............................................................. 10. 1.6. Principio de sustentación y arrastre. ................................................................ 11. 1.7. Energía eólica en el entorno urbano. ............................................................... 13. 1.8. Pequeños sistemas convencionales para centros urbanos. ........................ 13. 1.9. Tipos comunes de turbinas de viento que se utilizan actualmente en el. entorno urbano. .............................................................................................................. 14 1.9.1. Turbina Darrieus........................................................................................... 14. 1.9.2. Turbina Darrieus H....................................................................................... 15. 1.9.3. Turbina Darrieus Helicoidal. ....................................................................... 16.

(10) vii 1.9.4 1.10. Turbina Savonius. ........................................................................................ 16 Modelos de turbinas eólicas. ......................................................................... 17. 1.10.1. Aerogenerador Archimedes Liam F1. ................................................... 17. 1.10.2. Turbina Kliux Zebra. ................................................................................. 18. 1.10.3. Turbina Windpod. ..................................................................................... 19. 1.10.4. Aerogenerador WindCharger ................................................................. 21. 1.10.5. Turbina Energy Ball V200. ...................................................................... 23. 1.10.6. Turbina Kohilo. .......................................................................................... 24. 1.10.7. Aerogenerador Honeywell....................................................................... 24. 1.10.8. Turbina FloDesign. ................................................................................... 26. 1.10.9. Turbina eólica donQi ................................................................................ 29. 1.10.10. Turbina Ewicon. ........................................................................................ 32. 1.10.11. Turbina Binopterus. .................................................................................. 35. 1.10.12. SkyWind NG. .............................................................................................. 36. 1.10.13. MOWEA Cube 400. .................................................................................. 38. Capítulo 2: Análisis de las alternativas de los túneles de viento. ............................... 40 2.1.. Túnel de viento .................................................................................................... 40. 2.1.1 2.2. Descripcion. .................................................................................................. 41. Clasificación de túneles de viento. ................................................................... 42. 2.2.1. De acuerdo a su arquitectura. .................................................................... 42. 2.2.2. De acuerdo a su velocidad. ........................................................................ 44. 2.2.3. Por la dirección del flujo. ............................................................................. 47. 2.2.4. De acuerdo a su presión atmosférica. ...................................................... 48. 2.2.5. Túneles de viento por el tipo de prueba. .................................................. 49.

(11) viii 2.2.6 2.3. Categoría propia........................................................................................... 49. Componentes de un túnel de viento subsónico. ............................................ 50. 2.3.1. Mecanismo impulsor .................................................................................... 50. Los ventiladores axiales: ........................................................................................... 50 Ventiladores centrífugo: ............................................................................................ 52 2.3.2. Pantallas o Rejillas para el paso del Aire. ................................................ 53. 2.3.3. Cono de contracción y difusor. .................................................................. 53. 2.3.4. Cámara de Asentamiento. .......................................................................... 54. 2.3.5. Esquinas ........................................................................................................ 55. 2.3.6. Transiciones .................................................................................................. 55. 2.3.7. Cámara de Prueba ....................................................................................... 55. 2.4. Instrumentación en un túnel aerodinámico. .................................................... 56. 2.4.1. Instrumentación para la caracterización del flujo. ................................... 57. 2.4.2. Instrumentación para medida de fuerzas aerodinámicas. ..................... 60. 2.4.3. Instrumentación para medida de las condiciones ambientales. ........... 61. 2.5. Criterios de diseño para túneles de viento. ..................................................... 61. 2.6. Consideraciones para el diseño de la cámara de ensayos con respecto a. los modelos con los prototipos..................................................................................... 64 Capítulo 3. Diseño del túnel de viento propuesto para el Centro Nacional de Energías Renovables para el análisis y ensayos de pequeñas turbinas eólicas. ... 66 3.1. Análisis de requerimientos del proyecto. ......................................................... 67. 3.2. Características del túnel de viento. .................................................................. 71. 3.3 Diseño de los componentes del túnel de viento. ................................................ 73 3.3.1. Cono de contracción. ................................................................................... 73. 3.3.2. Secciones. ..................................................................................................... 74.

(12) ix 3.3.3. Cámara de Pruebas..................................................................................... 75. 3.3.4. Ventilador. ..................................................................................................... 76. 3.3.5. Reducción de Diámetro del Ventilador. .................................................... 76. 3.4. Perfiles de velocidad de los gases en conductos. ......................................... 78. 3.5. Selección de la instrumentación para la electrónica de medición. .............. 79. 3.6. Técnicas de ensayo. ........................................................................................... 79. 3.7. Prácticas y ensayos realizables. ....................................................................... 80. 3.8. Otros ensayos realizables. ................................................................................. 83. Conclusiones y Recomendaciones. ................................................................................ 85 Conclusiones .................................................................................................................. 85 Recomendaciones ......................................................................................................... 86 Referencias bibliográficas................................................................................................. 87.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. Introducción. Los problemas de contaminación ambiental y los cambios climáticos, generados por el uso de combustibles fósiles, hacen necesario la búsqueda de otras fuentes de energías limpias y renovables como la energía solar, la energía hidráulica, la energía eólica. Actualmente vivimos en un mundo en el que la población está en continuo crecimiento; este es el motivo por el que los recursos se van agotando y la sociedad se ve obligada a buscar nuevas fuentes de energía para poder lograr un sistema sostenible que no perjudique el medio ambiente. Dentro de las energías renovables la tecnología eólica es la de mayor crecimiento en el mundo, debido a los avances tecnológicos en el diseño de las turbinas de viento, la electrónica de potencia y el control de los accionamientos mecánicos de los aerogeneradores, que vuelven a estos sistemas más eficientes y competitivos. (Rios., 2015) Cada vez más crece el interés en utilizar y desarrollar aerogeneradores, molinos de viento y otros equipos similares mediante los cuales se puede generar energía, dado que estos equipos son totalmente sostenibles y, con vistas al futuro. Muchos países están enfocados en el desarrollo de estas tecnologías por la creciente demanda de energía que requiere la sociedad actual, muchas empresas están dedicadas al desarrollo de las mismas impulsadas a diversas e innovadoras maneras de aprovechar el recurso eólico para la producción de electricidad. En el campo de la investigación, los principales objetivos se centran en incrementar la viabilidad de las aplicaciones eólicas de pequeña potencia a través de la investigación y desarrollo de generadores de pequeña escala. Actualmente el mercado de la energía eólica de pequeña potencia se puede decir que.

(14) INTRODUCCIÓN. 2. constituye una importante opción energética, ya que tiene ventajas muy importantes frente a otras tecnologías, como es la posibilidad de ubicar sus instalaciones casi en cualquier sitio con un potencial eólico moderado. Dentro de este marco, existen iniciativas para desarrollar varios proyectos innovadores que sirvan de demostración de este tipo de instalaciones, mostrando su gran utilidad para la generación de energía. (Jason Fields, 2016 ) Los aerogeneradores han evolucionado durante siglos comenzando con Aero bombease que datan desde el siglo VII a. c (Turcan, 2016), hasta el siglo XXI con turbinas eólicas capaces de generar gran cantidad de energía eléctrica abasteciendo a redes eléctricas directamente y a pequeños centros urbanos. Actualmente existe un interés progresivo por la introducción de la energía eólica en el entorno urbano, por lo que se están desarrollando nuevos tipos de turbinas eólicas, llamadas turbinas urbanas (TU). La apariencia de esas máquinas permite integrarlas en el paisaje urbano sin interferir en él, quedando disimuladas por el propio entorno sin ocupar un espacio exclusivo para ellas. (Figueredo, 2012) Recientes estudios han mostrado que hay un potencial significativo para generar energía eólica dentro de los ambientes urbanos. El término urbano se refiere a todas aquellas áreas con construcciones, áreas industriales, ciudades, áreas densamente pobladas con muchos edificios, o áreas en la cual la densidad de edificaciones crea comportamientos de viento complejos. Un aspecto técnico clave para las turbinas urbanas, es la presencia de la turbulencia en los vientos que circundan en estas edificaciones. Esta turbulencia, que generalmente es muy alta puede dificultar las soluciones energéticas en las turbinas. La eficiencia de la máquina eólica depende de factores como la localización geográfica del edificio, las construcciones que lo rodean y la forma de su tejado. Muchos productores conocen que el comportamiento del viento alrededor de los edificios muestra una gran variación en su velocidad y dirección. Esto causa que la turbina se vea forzada a adaptarse al viento muy rápidamente, y cambie de posición constantemente. Esto no sólo afecta negativamente la energía que entrega, sino que también incrementa las cargas dinámicas, causando fatiga,.

(15) INTRODUCCIÓN. 3. desgaste, ruido y daños en la instalación. Esto provocará también demandas más engorrosas a la instalación eléctrica y al sistema de control. (Figueredo, 2012) Generalmente atendiendo a las dificultades que presentan estas pequeñas turbinas eólicas en los centros urbanos es de importancia conocer sus características constructivas y sus condiciones de trabajo tales como el diseño de las palas, el amortiguamiento mecánico de las vibraciones, la emisión del ruido, las técnicas de seguridad, la eficiencia del generador, el óptimo posicionamiento de la turbina y las velocidades con las que operan las mismas. Existen diversas maneras de comprobar el funcionamiento de estas pequeñas turbinas eólicas en cuanto a la obtención de información experimental para resolver problemas aerodinámicos se refiere; vuelos de evaluación, test de caída, modelos autónomos a escala, pruebas balísticas, o ensayos en túneles de viento, son sólo algunos de los métodos empleados con tal finalidad. Todos ellos comparten un objetivo común, ofrecer al modelo que se está analizando unas condiciones lo más próximas posibles a su entorno de aplicación. (Iriberri, 2005) La experimentación en túneles de viento resulta a menudo el método más rápido, económico y preciso para la realización de estudios aerodinámicos; ofrecen capacidad de trabajo con modelos a escala en fases iniciales de desarrollo, representan enteramente la complejidad del comportamiento de un fluido real, y proporcionan grandes cantidades de información fiable que sirve de base para diferentes decisiones de diseño. Es de interés en este trabajo conocer y distinguir las pequeñas turbinas eólicas modernas y las principales pruebas y ensayos que se les desarrollan en los túneles de viento; esta iniciativa surge bajo el interés en adoptar y aplicar los mejores prototipos de estas pequeñas turbinas; atendiendo a los estudios de los vientos en zonas urbanas de la provincia de Villa Clara por el Centro de. Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA) de la. Universidad Central de las Villas (UCLV) Marta Abreu. Tomando en consideración lo expresado anteriormente y la necesidad del país de investigar y desarrollar las fuentes de energía, en especial la energía eólica sobre.

(16) INTRODUCCIÓN. 4. las bases de una industria nacional, y basados en estudios realizados en el departamento del (CEETA) es que se propone el siguiente. Problema de investigación: La diversidad tecnológica en las pequeñas turbinas eólicas urbanas de la actualidad hace difícil su selección por lo que se debe acometer estudios de las mismas mediante túneles de viento que permita establecer con seguridad las condiciones necesarias para la instalación de cada modelo. Hipótesis de investigación: A partir del estudio de estas pequeñas turbinas eólicas y sus ensayos en los túneles de viento podrán escogerse las mejores para su emplazamiento en el entorno urbano. Atendiendo a la hipótesis de investigación se propone en el siguiente Objetivo general: Realizar un estudio acerca de las pequeñas turbinas eólicas modernas y el papel que desempeñan los túneles de vientos en cuanto a sus ensayos de laboratorio. Para dar cumplimiento a este objetivo general se proponen los siguientes Objetivos específicos:  Realizar una revisión bibliográfica sobre las pequeñas máquinas eólicas modernas en base a sus características, estructura y principio de funcionamiento.  Caracterizar los diferentes túneles de viento, analizando principales tipos y partes que lo componen.  Analizar las principales pruebas y ensayos físicos que se le realizan a estas pequeñas turbinas eólicas para un túnel de viento subsónico propuesto para el Centro Nacional de Energías Renovables de la Universidad Central de las Villas..

(17) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 5. principio de funcionamiento.. Capítulo 1: Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y principio de funcionamiento.. Introducción: El Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), es un departamento de la Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial de la Universidad Central "Marta Abreu” De Las Villas, de Cuba; el cual se dedica principalmente al diseño. de. proyectos. de. energías. renovables. y. eficiencia. energética. principalmente. Actualmente se encuentran trabajando en un proyecto de estimación del potencial energético y turbulencia del viento en cooperación con el Instituto Tecnológico de Santo Domingo y la Universidad de Alberta Canadá. Este proyecto también está destinado al estudio de los mejores prototipos de pequeñas turbinas eólicas modernas para su emplazamiento en este instituto tecnológico, donde se tomaran de referencia las turbinas fabricadas a partir del 2010. Por lo que este últimos hace referencia a este capítulo. 1.1 Actualidad y pertinencia del tema. En Cuba durante mucho tiempo la energía del viento solo se utilizaba para el bombeo de agua mediante molinos americanos en zonas rurales. Actualmente existen cuatro parques eólicos en funcionamiento, que totalizan una potencia instalada de 11,7 MW con máquinas horizontales los cuales se encuentran enlazados a la red nacional. Aunque también se utilizan aerogeneradores de pequeña potencia formando parte de sistemas híbridos en zonas rurales aisladas. Nuestro país no está ajeno a esta situación, tanto es así que en el 2012 se evalúo.

(18) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 6. principio de funcionamiento.. instalar ocho parques eólicos con una potencia total de 280 mega watts en los próximos ocho años. Estos nuevos parques eólicos serán emplazados en Holguín, Las Tunas, Camagüey, Ciego de Ávila y Villa Clara. Los cuatro parques anteriores como un proceso experimental muestran insuficiencias que lastran su rendimiento energético, disponibilidad técnica y conexión. Sin embargo, es evidente el ahorro energético que ha aportado los parques en explotación. 1.2 Disponibilidad de turbinas eólicas en el mercado mundial. En la actualidad, dentro del mercado mundial se están produciendo importantes desarrollos en las máquinas eólicas de pequeña potencia, lo que supone una continuación en la mejora de la fiabilidad y la eficiencia de los aerogeneradores. También se ha producido un aumento de escala, pues hasta ahora, la mayor oferta del mercado estaba en el entorno de aerogeneradores de potencia nominal de 1 kW y solo para aplicaciones conectadas a baterías, mientras que se está evolucionando hacia aerogeneradores en el entorno de los 5 KW, con capacidad de operar tanto aislados como conectados a la red. Existe una demanda razonable en la potencia comprendida entre 10 y 100 kW especialmente para la conexión a la red, pero que requiere disponer de herramientas de diseño similares a las de la tecnología de gran potencia, para lo cual, las empresas basadas en la actividad artesanal primordialmente de tipo empírico, tienen que evolucionar hacia las nuevas tecnologías que garanticen la fiabilidad y reduzcan el tiempo de desarrollo y por tanto, el costo final. (Rodríguez, 2010) 1.3 Recurso eólico en el mundo. Dentro de las energías renovables, en los últimos años, la energía eólica ha tenido un crecimiento sumamente dinámico a nivel mundial (figura 1).

(19) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 7. principio de funcionamiento.. Figura 1: Capacidad acumulada Instalada en el Mundo - Energía Eólica en MW. Fuente: (QWEC, 2017). Figura 2: Aporte de los principales países de energía eólica a nivel mundial.. La capacidad mundial de generación de energía eólica alcanzó 539,581 MW a finales de 2017, alrededor del 7% de la capacidad global de generación de.

(20) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 8. principio de funcionamiento.. energía. China una vez más ha apuntalado su papel como líder mundial en energía eólica, agregando 188,232 MW. Esto representa una participación de mercado del 36 %. El mercado de los Estados Unidos dio buen rendimiento con 89,077 MW de capacidad añadida representando el 17 % de su participación en el mercado, el crecimiento más fuerte desde 2012. Alemania, en anticipación de cambios en la legislación, instalado 56,132 MW representando Alemania el 10 % del mercado. La India fue el cuarto mercado más grande para nuevas turbinas con un volumen de mercado de 32,848MW representando el 6 %. España dio 23,170 MW para nuevas instalaciones para noviembre del 2017, con un 4 % del total. El Reino Unido aportó 18,872 MW representando 4 % del mercado mundial. Francia instaló una capacidad de 13,759 MW representando el 3 %. Brasil con respecto a lo producido en el 2015 decayó su producción de energía eólica solo instalando para el 2017 12,763 MW, Canadá 12,239 MW, Italia 9,479 MW estos tres últimos representando el 2 % de lo producido por estos países. El total de energía instalada por estos países fue de 456,572 MW representando el 85 %. Por lo cual con la energía producida por otros países que fue de 83,008 MW da el total de energía instalada para el 2017 representando el 100 %. (QWEC, 2017) 1.4 Funcionamiento de los aerogeneradores. Un aerogenerador es un conjunto de mecanismos pensado para generar corriente eléctrica (trabajo mecánico) mediante unas palas que están unidas por un eje. El diseño de las palas está pensado para aprovechar al máximo las corrientes del viento en el giro de las palas. De esta manera, las palas giran el eje y se crea energía mecánica, la cual, posteriormente, se transforma en energía eléctrica. 1.5 Tipos de aerogeneradores. En función de la tecnología de construcción, los aerogeneradores pueden dividirse en dos grandes familias:  Aerogeneradores de eje vertical –VAWT (Vertical Axis Wind Turbine)  Aerogeneradores de eje horizontal –HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine)..

(21) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 9. principio de funcionamiento.. A su vez los aerogeneradores VAWT se subdividen en:  Aerogeneradores del tipo Savonius  Aerogeneradores del tipo Darrieus  Aerogeneradores híbridos Darrieus-Savonius. Los aerogeneradores HAWT se subdividen en:  Aerogeneradores a barlovento (upwind)  Aerogeneradores a sotavento (downwind). 1.5.1 Aerogenerador de eje vertical. Las turbinas de viento de eje vertical generalmente se desarrollan solo para el despliegue urbano. Los cambios en la dirección del viento tienen menos efectos negativos en este tipo de turbina porque no necesita colocarse en la dirección del viento. Históricamente, las unidades se categorizan como tipos Savonius o Darrieus, de acuerdo con el principio utilizado para capturar el flujo de viento, donde el VAWT más antiguo es el rotor Savonius. Son generadores en los que la posición de las aspas y el eje del rotor se encuentran verticalmente, quedando perpendiculares al suelo y a la dirección del viento. El movimiento de las aspas se produce a causa de la fuerza de sustentación generada por el flujo de viento que incide en las aspas o bien por la fuerza de arrastre, según sea el diseño de la turbina. Además, se caracterizan por brindar la posibilidad de implementar diseños híbridos, combinando el uso de la fuerza de sustentación y la fuerza de arrastre simultáneamente. (FIC-R, 2014).

(22) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 10. principio de funcionamiento.. Figura 3: turbinas de eje vertical.. 1.5.2. Aerogenerador de eje horizontal.. En la actualidad, el tipo de turbina eólica más ampliamente asociada con la energía eólica es la turbina de eje horizontal (HAWT), como se muestra en la (Figura 2). El rotor de tipo propulsor está montado en un eje horizontal. El rotor necesita colocarse en la dirección del viento por medio de una cola o guiñada activa por un motor de guiñada. Los HAWT son sensibles a los cambios en la dirección del viento y la turbulencia que tienen un efecto negativo en el rendimiento debido al reposicionamiento requerido de la turbina en el flujo del viento. Las mejores ubicaciones para HAWT son áreas abiertas con flujo de aire suave y pocos obstáculos, por lo tanto, no son adecuados para entornos urbanos turbulentos en su mayoría. Además, en general, las pequeñas turbinas eólicas están diseñadas con una relación de velocidad punta alta comparable con las grandes turbinas eólicas, por lo tanto, la velocidad angular es muy alta. Teniendo en cuenta que la mayoría de las pequeñas turbinas eólicas tienen cuchillas fijas de paso, mientras que su superficie giratoria puede plegarse hacia arriba o hacia los lados para evitar la sobrerotación, estas turbinas suelen ser ruidosas, lo cual es una característica muy indeseable en entornos urbanos. (J.J.H.; Encica, 2014).

(23) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 11. principio de funcionamiento.. Figura 4: Aerogeneradores HAWT. Aerogeneradores a barlovento. Los aerogeneradores a barlovento llamados así porque el viento encuentra antes el rotor que la torre, tienen una mayor eficiencia que los aerogeneradores a sotavento, ya que no presentan interferencias aerodinámicas con la torre. En cambio, tienen el inconveniente de no alinearse autónomamente con relación al viento, por lo que necesitan una aleta direccional o un sistema de orientación. Aerogeneradores a sotavento Eje horizontal a sotavento causan los efectos negativos de la interacción torrerotor, pero se alinean autónomamente y pueden utilizar un rotor flexible para resistir los vientos fuertes. 1.6 Principio de sustentación y arrastre. Los aerogeneradores pueden ser de “sustentación” o de “resistencia” en función de cuál de las fuerzas generadas por el viento se use como “fuerza motriz”. Las turbinas que usan el principio de “sustentación”; en ellas, a diferencia de las de “resistencia”, el viento circula por ambas caras de la pala, las cuales tienen perfiles geométricos distintos, creando de esta forma un área de depresión en la cara superior respecto a la presión en la cara inferior. Esta diferencia de presiones produce una fuerza llamada sustentación aerodinámica (figura 5) sobre la superficie de la pala, de forma parecida a lo que sucede en las alas de los aviones. (García, 2015).

(24) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 12. principio de funcionamiento.. Figura 5: Sustentación aerodinámica.. Las turbinas Savonius su principio de operación se basa en la fuerza de arrastre diferencial sobre dos superficies; desde arriba, las palas forman la figura de una S. Debido a la curvatura de las palas experimentan menos resistencia cuando se mueven en contra de viento que a favor de él. (Figura 6). Figura 6: Funcionamiento del rotor Savonius por el principio de la fuerza de arrastre.. Esta diferencia causa que la turbina gire. Como es un artefacto de arrastre, este rotor extrae mucho menos de la fuerza del viento que las turbinas de sustentación de tamaño similar. Soporta las turbulencias y puede empezar a girar con vientos de baja velocidad. Es un tipo de turbina relativamente económica y fácil de implementar..

(25) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 13. principio de funcionamiento.. 1.7 Energía eólica en el entorno urbano. El entorno urbano presenta desafíos únicos para el desarrollo de sistemas de energía eólica. Teniendo en cuenta el régimen de vientos urbanos, aparecen dos características principales: velocidad del viento media anual más baja y mayor flujo turbulento. Las velocidades de viento pronunciadas a menor velocidad se deben a la presencia de edificios, etc., que reducen el viento. Velocidades a mayores altitudes, donde las turbulencias son el resultado de la interacción del viento con los mismos edificios y otros obstáculos. Especialmente, el flujo turbulento proporciona un desafío de diseño debido a la dirección del viento que cambia rápidamente, por ejemplo, la turbina necesita reaccionar rápidamente a las direcciones cambiantes del viento. Esto pone claramente de manifiesto los desafíos de los sistemas urbanos de energía eólica en comparación con las turbinas independientes. Por lo tanto, el desafío es encontrar topologías de turbina que puedan enfrentar bien la turbulencia o encontrar las áreas menos turbulentas del entorno urbano. (T.F. Ishugaha, 2014) 1.8 Pequeños sistemas convencionales para centros urbanos. Las turbinas eólicas convencionales han sido versiones más pequeñas de las turbinas de gran tamaño. Recientemente, varias empresas han llevado a cabo investigaciones y desarrollos para hacer que las turbinas eólicas sean más eficientes. Existen varios problemas con los sistemas convencionales: 1) Pueden ser ruidosos si no están diseñados correctamente. 2) Pueden representar un peligro para las aves y otros animales salvajes. 3) No convierten eficientemente la energía eólica que no es paralela al eje o es turbulenta. La (Figura 7) muestra instalaciones típicas de aerogeneradores convencionales.

(26) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 14. principio de funcionamiento.. Figura 7: Pequeñas turbinas eólicas en el entorno urbano.. Las turbinas se elevan por encima del nivel del techo para captar el flujo de viento horizontal. Estos sistemas no son buenos para atrapar el viento acelerado que fluye sobre el edificio. (Cruz, 2017) 1.9. Tipos comunes de turbinas de viento que se utilizan actualmente en el entorno urbano.. 1.9.1 Turbina Darrieus. Corresponde a una turbina de eje vertical dispuesta sobre el rotor, con dos o más aspas curvas y simétricas unidas en los extremos del eje (ver Figura 8). Opera bajo la fuerza de sustentación que genera el viento en las aspas. La turbina Darrieus es el competidor más cercano a la turbina de eje horizontal con tres aspas, teniendo el mejor rendimiento dentro de la categoría de generadores de eje vertical. Este tipo de turbina da origen a varios modelos de turbinas de eje vertical, modificando principalmente el diseño aerodinámico de las aspas (curvas, rectas, helicoidales o una combinación de ellas). Dentro de sus características está que permite mayores velocidades de giro. Asimismo, requiere de un mecanismo adicional para su partida. Sus aspas curvas son complejas de manufacturar. (Jason Fields, 2016 ) Estas turbinas, además, tienden a detenerse con vientos fuertes y tienen una velocidad de arranque desde 2 m/s. Sus aplicaciones pueden ir desde pequeños o medianos proyectos eólicos para el sector urbano o rural, como también para la inyección de energía a la red. Su factor de capacidad (factor de planta) se encuentra entre el 22 – 40%. Mientras que su eficiencia de.

(27) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 15. principio de funcionamiento.. conversión es de 20 – 35%. En cuanto a la potencia que puede generar por unidad se encuentra en el rango de 5 – 4000 kW. (FIC-R, 2014). Figura 8: Turbinas eje vertical Darrieus.. 1.9.2 Turbina Darrieus H También conocida por el nombre de turbina Giromill, corresponde a una turbina de eje vertical con álabes rectos unidos al eje del rotor mediante eslabones horizontales (ver Figura 9). La turbina gira producto de la fuerza de sustentación que genera el viento en sus aspas. También existe una adaptación de esta turbina para el uso de la fuerza de arrastre generada por el viento, reemplazando los perfiles de álabes rectos por superficies cóncavas. Estas turbinas se caracterizan por ser simples de manufacturar debido a los álabes rectos, lo cual permite una producción en masa, reduciendo costos. Además, las aspas rectas son más sensibles a momentos flectores, debido a su forma geométrica. Pueden usar la fuerza de sustentación o arrastre dependiendo del diseño de las aspas. Mientras que su factor de capacidad (factor de planta) se encuentra entre el 18 – 42%. Su eficiencia de conversión es de 15 – 30%. La potencia que puede generar por unidad se encuentra en el rango de 10 – 1000 kW..

(28) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 16. principio de funcionamiento.. Figura 9: Turbina de eje vertical Darrieus H o Giromill.. 1.9.3 Turbina Darrieus Helicoidal. Es una turbina de eje vertical, variante del modelo Darrieus, con tres aspas helicoidales (ver Figura 10). Trabaja bajo la fuerza de sustentación que genera el viento en las aspas. Las características, tanto de operación como de rendimiento, son equivalentes al modelo Darrieus H. La diferencia radica en el comportamiento aerodinámico de las aspas curvas, las cuales permiten un torque uniforme en cada revolución. Esto se debe a que la turbina recibe viento en sotavento y en barlovento, por lo tanto, un aspa aerodinámica reduce los posibles momentos flectores.. Figura 10: Turbinas de eje vertical Darrieus Helicoidal.. 1.9.4 Turbina Savonius. Las turbinas de viento Savonius fueron inventadas por el ingeniero Finlandés Sigurd Johannes Savonius en 1992. (Corona, 2016 ) Es una turbina de eje vertical que gira mediante el concepto de arrastre aerodinámico, a diferencia de la sustentación empleada por las turbinas Darrieus. Esto significa que el viento empuja el rotor a causa de la forma geométrica de la misma, haciéndolo girar.

(29) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 17. principio de funcionamiento.. sobre su eje. Consiste en dos o más semicírculos unidos al eje del rotor (Figura 11). Debido a su bajo costo y sencilla construcción puede implementarse varias turbinas unidas a una sola estructura. Las turbinas savonius presentan un diseño muy simple y económico, no requieren de un mecanismo adicional para su partida ya que pueden arrancar por sí mismas. Las turbinas Savonius se utilizan cuando el costo o la confiabilidad son mucho más importantes que la eficiencia (cabe mencionar que debido a ciertas formas de los álabes y con algunos arreglos se puede llegar a tener muy altas eficiencias, tanto como las de tipo Darrieus). (Aymane, 2017 ) Su principal aplicación es en sistemas de bombeo de agua. Su factor de capacidad (factor de planta) se encuentra entre el 35 – 45%. Mientras que su eficiencia de conversión es de 15 – 25%. La potencia que puede generar por unidad se encuentra en el rango de 0.1 – 5 kW. (FIC-R, 2014). Figura 11: Turbinas de eje vertical savonius. 1.10 Modelos de turbinas eólicas. 1.10.1 Aerogenerador Archimedes Liam F1. El Liam F1 es un nuevo tipo de turbina basada en el diseño de tornillo de Arquímedes. En lugar de las tres hélices diseño con el que puede estar familiarizado, sus tres cuchillas son con forma de concha de nautilus, para capturar más energía eólica en un camino más largo, reduciendo la velocidad de "corte" en la que puede producir poder. Está hecho de un material más ligero para.

(30) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 18. principio de funcionamiento.. menos resistencia, prácticamente no produce ruido y maneja la turbulencia mejor que los diseños tradicionales. Gira como una veleta para que siempre se enfrente directamente al viento. Los Liam F1 han sido optimizados para un entorno urbano. El fabricante ha calculado que el Liam F1 puede producir hasta 80% del rendimiento energético teórico máximo a una velocidad del viento dada, en contraste con el 50% de rendimiento de turbinas eólicas de diseño tradicional. El Liam F1 mide solo 5.7 pies de largo por 4.4 de ancho por 5.8 alto. Pesa solo 220 libras. Puede caber en cualquier techo. (Rd, 2017) Especificaciones técnicas (Anexo I).. Figura 12: Aerogenerador Liam F1 Fuente: (Rd, 2017). 1.10.2 Turbina Kliux Zebra. La turbina Kliux corresponde a una turbina de eje vertical tipo Darrieus H (Figura 13), el rotor de esta turbina está compuesto por cuatro álabes alfa y cuatro betas. Fue desarrollada por la empresa Kliux Energies. La turbina utiliza la fuerza de arrastre que genera el viento en los álabes. Esta turbina tiene una altura aproximada de 10 m, una potencia generada por unidad de 1.8 kW y la velocidad de arranque es de 3 m/s a la velocidad nominal de giro de 70 rpm. No requiere de un sistema de arranque y utiliza una caja de transmisión y un generador de imanes permanentes. Fruto de la colaboración con diferentes partners industriales, se ha desarrollado un sistema electrónico que le ofrece un rendimiento superior al 98%, con una etapa de adaptación de la señal de entrada al inversor y teniendo en cuenta que los niveles de tensión ofrecidos por el generador, se adaptan.

(31) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 19. principio de funcionamiento.. perfectamente a los rangos óptimos de trabajo de los inversores. Las diferentes soluciones energéticas que puede ofrecer e implantar Kliux Zebra se posicionan como las soluciones ideales para la mejora de la eficiencia energética de los diferentes lugares donde se ubique la instalación, bien sean viviendas, granjas, industrias o lugares remotos en lugares en los que el coste de llevar un suministro eléctrico convencional no se pueda ejecutar o su ejecución sea muy costosa, así como electrolineras o hidrolineras. Estos equipos son idóneos para su integración con tecnología solar fotovoltaica mediante sistemas híbridos.. Figura 13: Turbina de eje vertical Kliux Zebra. Fuente: (Zebra, 2013). 1.10.3 Turbina Windpod. Los windpods son turbinas eólicas patentadas para la generación de energía para entornos urbanos. Desarrollados en Fremantle, Australia Occidental. Los windpods tienen una aerodinámica diseñada específicamente para entornos de vientos urbanos variables y ofrecen ahorros en los costos y la conveniencia de la instalación en edificios y estructuras urbanas tales como líneas de crestas en la azotea. Windpods tiene la capacidad de ser diseñado en las características arquitectónicas de un proyecto y el modularidad permite un alcance de diseño muy amplio. El módulo Windpods G1 (modelo comercial) 500w tiene un tamaño de marco externo de 667 mm de alto x 2530 mm de longitud. La turbina tiene tres secciones, cada una con posiciones de cuchilla compensadas 60 grados con respecto a la siguiente para proporcionar una curva de par muy suave (efectivamente tan suave como un sistema de 6 cuchillas) y dos unidades G1.

(32) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 20. principio de funcionamiento.. pueden alcanzar una potencia de 1 kW en 12.5 m/s velocidad del viento. Los aerogeneradores Windpods se montan en el bastidor exterior a través de bloques especialmente diseñados, que permiten la fácil extracción de la turbina para el servicio in situ. (Windpods, 2015). Figura 14: Modelo Windpods G1(Windpods, 2015). Otras características de importancia de Windpods incluyen:  Ruido y vibración extremadamente bajos.  Capaz de operar verticalmente, horizontalmente y en cualquier ángulo intermedio.  Capaz de operar con eficiencia en vientos huracanados y turbulentos, como los que se encuentran típicamente en entornos urbanos.  Capaz de ser montado modularmente en edificios a bajo costo en un lugar donde el viento tiene la mayor concentración.  Seguro para las aves.  En ciclones y vientos extremadamente fuertes, el sistema de freno electrónico Windpods detiene la turbina, protegiéndola de daños.  Esperanza de vida. Las únicas partes móviles son los rodamientos, que tienen una vida útil de diseño superior a 17 años.  Los Windpods son capaces de operar aerodinámicamente bajo los principios. de "Arrastrar" y "Levantar". Arrastrar es simplemente la turbina atrapando el viento como una vela y siendo conducido por el recurso disponible. El.

(33) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 21. principio de funcionamiento.. ascensor permite que la turbina realmente gire más rápido que el viento, ya que se "desliza" a través del aire y usa el viento para aumentar el impulso.. Figura 15: Instalación de Windpods en edificios y estructuras urbanas (Windpods, 2015). 1.10.4 Aerogenerador WindCharger Sauer Energy, Ing. se enorgullece y se complace en presentar su pequeño sistema de aerogenerador de eje vertical, el WindCharger único en su tipo (Figura 16). Con sus características de diseño innovadoras y revolucionarias, es extremadamente eficaz y puede ser montado en el techo de casas o edificios pequeños. La atención particular a la eficiencia de captura del viento fue clave en el diseño del WindCharger. La tecnología disruptiva de WindCharger permite a los usuarios finales generar su propia electricidad para establecer sus facturas de servicios públicos. Además de la reducción del costo de energía en áreas con mucho viento, el WindCharger es una poderosa exhibición de la dedicación de uno al movimiento verde. (Energy, 2016) Está diseñado con una curvatura de ángulo cóncavo / convexo para una solución de precisión para crear un vórtice para un máximo esfuerzo de torsión. La configuración de la hoja se usa para crear mayor rpm usando un modelo de 3 palas para diferentes velocidades de viento. Basado en el diseño de turbina eólica Savonius de eje vertical (VAWT). El borde anterior de la cuchilla está diseñado para dirigir el flujo a lo largo de los tramos de aire, que son acanalados. El lado de arrastre de la pala de la turbina presenta hendiduras diseñado para romper el patrón de flujo de aire uniforme en la superficie. Crea una capa o límite de aire.

(34) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 22. principio de funcionamiento.. directamente sobre la superficie. A medida que la parte posterior de la hoja se mueve a través del aire, hay menos resistencia y fricción. Estas hendiduras se colocan en un patrón para crear un límite de aire que fluya sobre la superficie para disminuir la resistencia efecto, aumentando las revoluciones por minuto. (Energy, 2016) La pluralidad de las filas está diseñada para canalizar y captura el flujo de aire. El frente de las palas de la turbina tiene canales sangrados que se ejecutan en líneas horizontales paralelas. Desde el borde exterior son más anchos, hacia el centro del eje donde están más delgados aumentando en profundidad y disminuyen en ancho. Están acanalados en ambos lados para sostener el flujo de aire y canalícelo hacia el eje central, donde hay salidas de chorro de aire. Las cuchillas están diseñadas para expulsar el flujo de aire de la cuchilla y ayuda a empujar la siguiente cuchilla. Puerto de salida más pequeño a un puerto más grande tendrá un efecto de vórtice de vacío en el lado de arrastre. Estos puertos están diseñados para desplazar tanto el flujo de aire desde el centro del vórtice, aumentando la velocidad para aceptar más viento a una mayor eficiencia. El efecto general es disipar la zona muerta. Eliminación de aire desde el eje central aumentará la eficiencia en el reino del torque y las revoluciones. (Energy, 2016) Especificaciones técnicas (Anexo I).. Figura 16: Aerogenerador WindCharger (Energy, 2016). Características especiales  Arranque con poco viento, puede trabajar con mucho viento.  El diseño multi-patentado es único para la máxima eficiencia aerodinámica..

(35) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 23. principio de funcionamiento..  Diseño fácil de usar, prácticamente sin vibración.  Materiales seleccionados para soportar ambientes extremos.  Montaje en techo o uso independiente.  Diseño de funcionamiento casi silencioso por menos de 34 decibelios con ruido de fondo, a 10 pies.  Captura de flujo de aire omnidireccional, soporta fuertes ataques de ráfagas de viento.  Seguro para pájaros y animales. 1.10.5 Turbina Energy Ball V200. Corresponde a una turbina de eje horizontal con cinco aspas curvas formando una esfera (Figura 17). El diseño lo desarrolló la empresa Home Energy y utiliza el efecto Venturi en la turbina, es decir, se crea una zona de baja presión al interior de la turbina al pasar el flujo de aire sobre ella, acelerando las aspas del rotor debido a la diferencia de presiones. Su forma redonda patentada es particularmente agradable a la vista, sin embargo, es silencioso para el oído. Sus dimensiones le permiten ser instalado en áreas urbanas. La Energy Ball V200 es una turbina silenciosa sin velas que no arroja sombra desagradable. El Energy Ball V200 está idealmente instalado en un mástil con una agregada altura de 12 m o 15 m, viene equipado con un inversor WindPower. Esto prepara la energía eléctrica generada para la entrega a la red pública. (230 V a, 50 Hz). La capacidad máxima del generador es de 2500 W. (International, 2014) Especificaciones técnicas (Anexo 1).. Figura 17: Turbina Energy Ball V200 (International, 2014).

(36) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 24. principio de funcionamiento.. 1.10.6 Turbina Kohilo. La tecnología de vanguardia exclusiva de Kohilo rompió el molde en la construcción de turbinas eólicas, proporcionando una turbina perfectamente artística que supera a todas las demás. Las turbinas Kohilo utilizan la menor cantidad de recursos naturales para extraer la mayor cantidad de energía limpia. Kohilo ha descubierto la clave para aprovechar la energía eólica en aplicaciones urbanizadas del mundo real que consisten en entornos de alta altitud y alta turbulencia. Comienza con haber desbloqueado la dinámica de fluidos requerida para más del doble de la carrera de potencia del sistema de pala de turbina eólica de eje vertical en combinación con la mayor cantidad de superficie jamás aplicada a una turbina eólica compacta para expandir aún más la captura y absorción de energía. La cuchilla combina cuchillas internas y externas que crean un ambiente controlado para estabilizar el flujo de aire turbulento dentro de su cámara de compresión. Este diseño de cuchilla aprovecha la energía eólica de 3 a 127 mph. Más allá de este avance, los sistemas de turbina Kohilo están diseñados para ser silenciosos, livianos, confiables por generaciones, desplegables prácticamente en cualquier parte, rentables y estéticamente agradables. Especificaciones técnicas (Anexo 1).. Figura 18: Turbina Kohilo Fuente: (Kohilo, 2014). 1.10.7 Aerogenerador Honeywell La turbina doméstica Honeywell es probablemente la más conocida de la red, apareció en artículos de los blogs más prestigiosos dedicados a las energías renovables y sostenibilidad. El aerogenerador Honeywell es un pequeño y ligero.

(37) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 25. principio de funcionamiento.. sistema pensado para viviendas, pequeñas empresas, comunidades de vecinos con capacidad para generar unos 1500 kWh año, aunque lo que más impresiona es su capacidad para producir energía con velocidades de viento muy, muy bajas (0,8 km/h). Para la generación de energía la turbina utiliza un sistema de imanes y estatores que rodean su anillo exterior y capturan energía de las puntas de las aspas donde la velocidad es mayor, eliminando prácticamente la resistencia y el arrastre mecánico. Esta innovadora tecnología conocida por Blade Tip Power System (BTPS) es una creación patentada de WindTronics. Además dispone de dos aletas en sus extremos que permiten la orientación al viento por pequeño que sea la variación de la dirección (González, 2015), haciendo que el sistema reaccione rápidamente a los cambios en la velocidad del viento, garantizando así una máxima captura de energía, sin el ruido y vibraciones típicas de los aerogeneradores. Mide tan solo 1.8 metros de diámetro y pesa 84 kg, disponiendo de un apagado automático frente a vientos de 61,2 km/h. El aerogenerador Honeywell se puede montar en azoteas planas, cumbreras de tejados, en postes y torres. Según WindTronics su fabricante, la turbina Honeywell es la más potente y de menor coste por kW/h que jamás se ha hecho (en su clase y tamaño). Honeywell tiene un mayor lapso de operación sobre las tradicionales turbinas con una velocidad de arranque tan baja como 0.5mph (0.2 m/s), con un auto apagado a los 38mph (17.0 m/s) turbinas de engranajes tradicionales requiere velocidades de viento mínimas de 7.5 mph (5 m/s) para cortar y comenzar a generar energía. (WindTronics, 2010).

(38) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 26. principio de funcionamiento.. Figura 19: Turbinas Honeywell. Fuente: (WindTronics, 2010). 1.10.8 Turbina FloDesign. FloDesign Wind Turbine (FloDesign o FDWT) es un desarrollador de alto rendimiento, próxima generación de tecnología de turbinas eólicas con sede en Waltham, Massachusetts con operaciones en Dinamarca y China. Fundado en 2007, FDWT es un spin-off de FloDesign Inc. (FDI), una empresa de ingeniería por contrato con sede en Wilbraham, Massachusetts. La turbina eólica de mezclador / eyector ("MEWT") amortajada de la compañía utiliza tecnología comprobada, usada durante mucho tiempo en aplicaciones aeronáuticas, para lograr mejoras de rendimiento importantes en comparación con el viento convencional de eje horizontal tecnología de turbina ("HAWT"). Estas mejoras incluyen: producción mucho más alta por unidad del área barrida; velocidades de corte más bajas; y un mejor rendimiento fuera del eje. FloDesign también cree que, más allá de estas mejoras en el rendimiento, los MEWT reducirán muchos de los impactos ambientales que han impedido la aceptación de la generación eólica. (Howe, 2011) La característica distintiva de la turbina eólica mesclador-eyectora (MEWT) de FloDesign es la incorporación de un sistema de dos cubiertas concéntricas que rodean la cara de la turbina, que comprende una cubierta de mezclador lobulada y una cubierta de expulsión embridada, este sistema atrae más aire hacia la cara de la turbina, aumentando la producción de energía, un área más allá de los límites que unen a las turbinas convencionales. El diseño de la cubierta del mezclador-.

(39) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 27. principio de funcionamiento.. eyector continúa evolucionando a medida que FloDesign busca optimizar la producción de energía. (Howe, 2011). Figura 20: Desarrollo de la turbina FloDesign desde su comienzo de desarrollo. Fuente: (Howe, 2011). Componentes de la turbina Para extraer energía de un área más grande acercándose al viento, cuchillas más pequeñas, robustas y rápidas, intentamos diseñar una nueva idea sobre forma de aleta, capucha, mezclador lobulado, rotor y estator. Ahí son algunas de las partes importantes en este nuevo diseño de viento de la turbina a reacción. El nuevo diseño de nuestra turbina eólica puede ser más pequeño que la turbina convencional, pero puede generar más potencia. Basado en el concepto de la turbina del motor a reacción se muestran sus principales componentes. (Fayaz Maredia, 2013) Rotor: El rotor contiene una cantidad de cuchillas montadas en it, que gira cuando el viento golpea la hoja. El rotor está unido al eje del generador para generar electricidad Capucha: La cubierta es una cubierta tipo cono circular plano. Es la caja exterior del mezclador lobulado Mezclador lobulado: Se usa para dos flujos direccionales de viento después de que el viento pasa y crea una baja presión (vacío) detrás del mezclador, el cual permite que el rotor pueda extraer más viento y producir más salida en comparación con aerogeneradores convencionales. Aleta o guía: Es una placa rectangular plana que está montada en la capucha. Se usa para el movimiento de la capucha hacia la dirección del flujo de viento..

(40) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 28. principio de funcionamiento.. Estator: El estator consiste en un número fijo de cuchillas que guía el flujo de viento en una dirección perfecta en el rotor para que no vibre y se mueva sin problemas con menos resistencia. El aire a alta velocidad golpea primero al estator, este estator dona este aire al rotor, debido al golpe de aire a la pala gira el rotor, debido a esto la velocidad del aire se reduce, ahora el aire rápido desde afuera se desvía.. Figura 21: Esquema de la turbina FloDesign Fuente: (Fayaz Maredia, 2013). Instalación: Actualmente la turbina FloDesign se encuentra instalada a grandes proporciones (Figura 22), por lo que no quita que puedan desarrollarse turbinas de este tipo para emplazamiento en centros urbanos por su alta eficiencia, por eso es de interés proponerla en este proyecto a pesar de no existir turbinas actualmente destinada para los entornos urbanos..

(41) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 29. principio de funcionamiento.. Figura 22: La turbina de prueba FloDesign en el puerto de Boston, cerca del aeropuerto de Logan, fue el primer prototipo de tamaño completo de la compañía Fuente: https://www.google.com/search?q=turbine+flodesign+2017. La instalación de FloDesign financiado principalmente por un grupo de capitalistas de riesgo de California, el Departamento de Energía de EE. UU. Y Goldman Sachs, que durante mucho tiempo se rumoreaba que era un importante avance de energía limpia; como prototipo de diseño, la turbina era única. Sin embargo, la expectativa de esta peculiar tecnología parecía finalmente lista para desafiar las suposiciones en las que se basa la industria eólica. En lugar de construir enormes turbinas en ubicaciones remotas, construiría turbinas eólicas que serían pequeñas, poderosas y ubicadas localmente, cerca de vecindarios residenciales, por ejemplo, o en campus industriales. Hacerlo significaría que la empresa tendría que crear no solo un nuevo producto innovador sino también un mercado completamente nuevo. Años posteriores de su creación en el 2008 FloDesign pasaría a llamarse Ogin. 1.10.9 Turbina eólica donQi Esta turbina eólica está catalogada dentro de la categoría urbana, es donQi, y ha sido desarrollada bajo la supervisión de la Universidad Técnica TU Delft (Holanda). Este aerogenerador se ha diseñado para producir electricidad en entornos urbanos, donde el viento suele ser más débil, por eso puede trabajar desde velocidades de viento de 8,5km/h hasta los 110 km/h soportando rachas de más 200 km/h, aspecto éste muy a tener en cuenta. Gracias a que incorpora un silenciador patentado, es una turbina que no hará que el ruido en la calle sea mayor, aunque hay que señalar que también lo vemos apto para una instalación.

(42) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 30. principio de funcionamiento.. doméstica. El rendimiento lógicamente dependerá de los vientos dominantes en la zona donde se ubique, pero, según el fabricante, puede llegar a cubrir el 75% de las necesidades de una casa, para esto es imprescindible el buen asesoramiento de un instalador que fije la turbina en la mejor ubicación posible, y que realice los estudios previos necesarios. Se puede instalar tanto en cubiertas planas como en tejados. inclinados,. cumpliendo. con. la. normativa. vigente. para. mini. aerogeneradores y para inversores de baja tensión. (Dazne, 2011). Descripción: El aerogenerador cuenta con una turbina tipo “Venturi” que aumenta la sensibilidad para capturar la energía del viento a bajas velocidades, obteniendo mayor rendimiento por. de aire, con un arranque de 2.5 m/s y con una. productividad de 1.75 kW a velocidad potencial del viento de 14 m/s. Su instalación es segura, puede ser en una vivienda, oficinas o en instalaciones donde se utilice la energía eléctrica, además la turbina con el mástil de 1.5 m pesa 110 Kg, su turbina tiene longitud de 1 m y diámetro de 2 m; tiene una veleta que se adapta fácilmente a la dirección del viento, girando en su propio eje a 360°, para lograr mayor eficiencia mientras que otros aerogeneradores en el mercado actual carecen de ella. Está diseñado para el entorno urbano, ya que es silencioso, (su nivel de ruido del viento a 5 m/s con distancia de 3 m es menor de 40 dB) y no provoca vibraciones. Está desarrollado para la conexión a la red monofásica o trifásica dependiendo de las necesidades del usuario, cuenta con freno de rotor automático que se acciona a velocidades mayores de 51 m/s.. Funcionamiento: En la turbina de Venturi el flujo de viento desde la turbina principal en la sección 1 se hace acelerar a través de la sección angosta llamada garganta, donde disminuye la presión del fluido. Después se expande el flujo a través de la porción divergente o sección 2 al mismo diámetro que la turbina principal. Si V es la velocidad del viento y si u es la velocidad de desplazamiento del extremo del álabe, se tiene que u es menor que V. Su rendimiento es máximo si.

(43) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 31. principio de funcionamiento.. u=V/3, por ello estas máquinas se caracterizan por ser muy lentas. El eje de la zona motriz es normal a la dirección del viento y una parte solamente del conjunto de álabes es motriz; la otra parte debe estar provista de un dispositivo que anule o disminuya el efecto del viento. (Cynthia Lima Lobato, 2014). Figura 23: Efecto Venturi en la turbina DonQi Fuente:(Cynthia Lima Lobato, 2014). El generador DonQi, extrae la energía directamente por medio de álabes que se desplazan con la presión en la misma dirección del viento, donde para obtener una gran potencia se tiene una sección de toma muy importante. Por el número de álabes tiene una velocidad media angular, obteniéndose un torque de partida media también, así mismo con un excelente rendimiento. La turbina del generador hace que se oriente por sí solo por su veleta, la cual tanto la turbina como la veleta eliminan la acción del viento sobre los álabes que se muevan a contracorriente. Tiene un freno colocado cerca de lo álabes que retiene la etapa motriz útil y automáticamente se libera colocándose en bandera en la carrera de retorno, pero no hay choque ni ruido.. Instalación: Por su peso y diseño su instalación es segura y rápida, se puede adaptar de acuerdo a las necesidades del consumidor. En techo: Se coloca una base de concreto aproximadamente de 2x2 m, en dependencia de las necesidades, sobre el cual posteriormente se iza el mástil con el aerogenerador..

(44) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 32. principio de funcionamiento.. En muro: Principalmente se basa, en sujetar el mástil sobre un muro, con unas abrazaderas. En el suelo: Fraguando previamente una zapata, que dependerá de la altura del mástil.. Figura 24: turbina eólica donQi en azoteas de edificios. Fuente: (Dazne, 2011). 1.10.10. Turbina Ewicon.. Las turbinas de viento siguen siendo los principales dispositivos para convertir la energía eólica en energía eléctrica, hay un número de inconvenientes que limitan el uso generalizado de energía eólica. El principal inconveniente es el alto costo de mantenimiento. Esta necesidad de mantenimiento surge principalmente de la conversión de energía eólica a energía eléctrica a través de la energía mecánica, es decir, el movimiento de rotación que conduce la turbina eólica. Especialmente las turbinas de viento impulsadas por cajas de cambios son propensas al desgaste y necesitan mantenimiento al menos una vez al año. Agregado al costo de mantenimiento son los costos entre otras cosas, construcción, arrendamiento de tierras y permisos que hace subsidios del gobierno. Por lo tanto, un concepto en el que hay muy poco movimiento mecánico sería ideal con respecto a la complejidad del sistema y costos de mantenimiento. Los Métodos EWICON (energía eólica electrostática Convertidor) es un método que se basa en el principio que el viento transporta partículas cargadas eléctricamente o cargadores en un campo eléctrico. (Rahul T. Dhanore, 2016).

(45) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 33. principio de funcionamiento.. Principio Cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo que se somete a desplazamiento, esa fuerza funciona en el cuerpo. En el caso del sistema EWICON, el cuerpo está cargado partícula con una carga (q) la fuerza es la fuerza eléctrica en la partícula cargada debido a un campo eléctrico E, dado por F = q x E Al permitir que el viento fuerce las partículas cargadas contra la dirección de esta fuerza eléctrica, el potencial de energía de estas partículas cargadas aumentará, similar a empujar una roca hacia arriba de una montaña contra la gravedad. dW = - dU Estas partículas cargadas con mayor energía eléctrica pueden ser recolectadas usando uno de los métodos explicado en la siguiente sección. De esta manera, la energía eólica es convertida directamente en energía electrostática y el paso intermedio que involucra el movimiento de rotación, que tiene lugar en las turbinas eólicas convencionales, es sacado del proceso. (Rahul T. Dhanore, 2016) Existen dos métodos de recolectar energía eléctrica para el sistema EWICON Tipo A: la patente de Alvin Marks En esta implementación del sistema EWICON, las partículas cargadas son creadas mediante un sistema de cobro, que generalmente consiste en un número de boquillas y electrodos, que está conectado a tierra. Una corriente de partículas cargadas, que puede considerarse como una corriente eléctrica, luego es transportada por el viento a un colector aislado por separado, que es inicialmente neutral. Cuando las partículas cargadas tocan el colector, lo harán entregando su carga al coleccionista. Esto causa que el potencial del colector pueda levantarse. Este potencial tendrá la misma polaridad que la nube de partículas cargadas, por lo tanto, creando un campo eléctrico. Debido a este campo eléctrico la fuerza empujará las partículas cargadas lejos del coleccionista. Tipo B: el sistema EWICON sin colectores, en este caso es el más usado actualmente..

(46) CAPÍTULO 1. Análisis de las pequeñas turbinas eólicas en base a sus características y. 34. principio de funcionamiento.. En esta implementación el sistema de carga está aislado de la tierra. No hay un coleccionista por separado. Dado que el sistema de carga comienza en una situación eléctricamente neutral, dispersándose las partículas cargadas causará el potencial de la carga, sistema para elevarse. Para ser más precisos, el potencial aumentará en el caso de partículas con carga negativa, disminuirá en caso de partículas con carga positiva. Sin embargo, esto tiempo, la polaridad de este potencial es opuesta a la polaridad de las partículas cargadas. Esto significa que, con ausencia de viento, las partículas cargadas serán forzadas a volver al sistema de carga que resulta en una pérdida de carga o disminución de la corriente neta. De nuevo, dependiendo de la velocidad del viento, la calidad del aislamiento del sistema de carga y la carga unido al sistema, el sistema en sí alcanzará un potencial máximo. Básicamente, la tierra actúa como el colector para las partículas cargadas y si todas las partículas cargadas son transportadas a la tierra, entonces la máxima potencia que se puede entregar se alcanza. (Rahul T. Dhanore, 2016). Figura 25: a). Implementación tipo A del sistema EWICON con un colector aislado b) Implementación tipo B del sistema EWICON sin colector. ) Sistema EWICON en la Universidad de Delft, Países Bajos (Rahul T. Dhanore, 2016). Ventajas de los sistemas EWICON:  Además de las partículas cargadas flotantes, no hay mover las piezas presentes en el sistema EWICON.  El desgaste que se encuentra comúnmente en la caja de cambios sistemas de turbinas eólicas no estarán presentes en el Sistema EWICON..