Estudio de un aerogenerador vertical

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTHA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DEPARTAMENTO CENTRO ENERGÉTICO Y ESTUDIOS AMBIENTALES CEETA. Título: Estudio de un aerogenerador vertical. Autor: Carlos Antonio de Ávila Pérez Tutor: Dr.C. Ernesto Yoel Fariñas Wong. Curso 2012-2013.

(2) Pensamiento. 2013. “Venimos hace muchísimos años intentando llamar la atención a la humanidad, de. que no es posible la humanidad si no tenemos una nueva relación con la Madre Naturaleza.” Rigoberta Menchú.

(3) Dedicatoria. 2013. DEDICATORIA. A mis padres, por sus consejos, comprensión, amor y apoyo en los momentos difíciles; también por ayudarme con los recursos necesarios para estudiar. Gracias a ellos porque me han dado todo lo que soy como persona: mis valores, mis principios, mi carácter, mi empeño, mi perseverancia y mi coraje para conseguir mis objetivos..

(4) Agradecimientos. 2013. AGRADECIMIENTOS A mis Padres Ana y Carlos por su apoyo incondicional; a Ernesto Fariñas Wong, por ser mi Tutor de la presente tesis y en los anteriores proyectos; a mi novia Mayara y a su familia, por su preocupación para la realización de este trabajo con éxito; a mi familia, en especial a mis tíos Carlos Rafael, Fernando, Bienvenido, por sus consejos y respaldo; a Ana Margarita, Margarita y Maggie, por sus aportes en la culminación de la presente tesis; a Luis y a su familia, por su incondicionalidad, preocupación, por su interés de ayudar en todo momento; a los Profesores de la Facultad de Ingeniería Mecánica, que me formaron como Ingeniero, en especial a Raúl, Kirenia, Cabeza, Yaidel; a Lázaro, por su apoyo en el avance de este trabajo de curso; a Lidia, secretaria docente, por su preocupación durante el tiempo que estuve cursando la carrera, por ser como una segunda madre para mí; a Analay, Arianna, por su preocupación en que este trabajo llegue a su fin; a mis compañeros de la carrera con los cuales compartimos los buenos y difíciles momentos en el transcurso de nuestros estudios; a todos aquellos que no nombré, pero que de algún modo se identifican con este tan importante logro. Muchas Gracias, Carlos Antonio de Ávila Pérez.

(5) Resumen. 2013. RESUMEN Debido a la importancia que tiene en estos momentos el ahorro de energía en nuestro país y la necesidad de encontrar fuentes renovables de energía cada vez más eficientes, se emprende el siguiente trabajo, lográndose el diseño de un aerogenerador de eje vertical de 0,5 kW de potencia de acorde a las condiciones industriales del país y geográficas de la facultad. En el presente Trabajo de Diploma se realizó un estudio bibliográfico sobre el estado de la tecnología acerca de los aerogeneradores con énfasis en los aerogeneradores de eje vertical, con el propósito de conocer sus características y funcionamiento, realizándose un análisis crítico del diseño para un aerogenerador de este tipo por López (2012). Se desarrolla un metodología de cálculo para determinar las fuerzas que actúan sobre las palas y el rotor de la máquina diseñada implementado sobre el tabulador Excel. Se realiza un análisis de carga en el Software Autodesk Inventor Professional 2012, con el objetivo de extraer nuevos datos experimentales que enriquezcan el trabajo y una mejor información sobre las fuerzas que actúan en el rotor. Además se calculan las uniones correspondientes para los tornillos de las palas, y el acople. Se incluye en este trabajo los planos de construcción y montaje del aerogenerador analizado, y realizado en el Software Autodesk Inventor Professional 2012..

(6) Summary. 2013. SUMMARY Due to the importance of these energy saving moments in our country and the need to find renewable energy sources increasingly efficient, the following work is undertaken, achieving the design of a vertical axis wind turbine 0,5 kW power according to the industrial conditions of the country and geographical faculty. In the present work, a study Diploma of literature on the state of the art about the turbines with emphasis on vertical axis wind turbines, in order to know its features and performance, performing a critical analysis of the design for a wind turbine this type by Lopez (2012). Developing a calculation method for determining the forces acting on the blades and the rotor of the machine designed tab implemented on Excel. An analysis of load in the Software Autodesk Inventor Professional 2012, with the aim of extracting new experimental data to enrich the job and better information on the forces acting on the rotor. Besides joints are calculated corresponding to the screws on the blades, and coupling. This work is included in the construction drawings and installation of the wind turbine analyzed, made in Autodesk Inventor Professional 2012 software..

(7) Índice. 2013. ÍNDICE INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES, CARACTERÍSTICAS GENERALES Y PRINCIPALES TECNOLOGÍAS DE LOS AEROGENERADORES VERTICALES 5 1.1 Introducción.................................................................................................... 5 1.2 Caracterización de la fuente de energía. El viento......................................... 5 1.3 Actualidad de los aerogeneradores en Cuba ................................................. 7 1.4 Máquinas Eólicas ........................................................................................... 9 1.5 Eficiencia de los aerogeneradores de eje vertical .......................................... 9 1.6 Máquinas Eólicas de eje Vertical ................................................................. 10 1.7 Tipos de Aerogeneradores Verticales .......................................................... 12 1.7.1 Consideraciones Técnicas..................................................................... 12 1.7.2 Savonius ............................................................................................... 13 1.7.3 Rotor Darrieus ....................................................................................... 16 1.7.4 Darrieus Giromill o tipo H....................................................................... 19 1.8 Evaluación del aerogenerador propuesto por López (2012). Análisis crítico. ........................................................................................................................... 23 1.8.1 Selección ............................................................................................... 23 1.8.2 Configuración del rotor........................................................................... 24 1.8.3 Sistema de transmisión.......................................................................... 25 1.8.4 Generador eléctrico ............................................................................... 25 1.8.5 Torre ...................................................................................................... 26 1.9 Conclusiones parciales ................................................................................ 26 CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO AERODINÁMICO DE ROTORES VERTICALES ..................................................................................... 28 2.1 Introducción.................................................................................................. 28 2.2 Cálculo y dimensionamiento del rotor .......................................................... 28 2.2.1 Área barrida por las palas...................................................................... 28 2.3 Tamaño de las palas y coeficiente de solidez .............................................. 30 2.4 Determinación de la sustentación que actúa sobre la superficie de acción de la pala ................................................................................................................ 30 2.4.1 Cálculo de la componente de la fuerza de sustentación........................ 32 2.5 Estudio al rotor del aerogenerador............................................................... 32 2.6 Velocidades y sus componentes.................................................................. 34 2.6.1 Relaciones de velocidad ........................................................................ 36 2.7 Fuerzas aerodinámicas del rotor.................................................................. 38 2.7.1 Fuerzas aerodinámicas del alabe .......................................................... 38 2.7.2 Fuerzas axial (Fx) y lateral (Fz) que actúan sobre un alabe .................. 39 2.8 Fuerzas que actúan sobre el rotor ............................................................... 41 2.8.1 Coeficientes de fuerza radial (Cr) y tangencial (Cq) .............................. 41 2.8.2 Resultante de las fuerzas analizadas .................................................... 42 2.9 Potencia y Momento del aerogenerador ...................................................... 42 2.9.1 Coeficiente de momento (Cm) y momento (M) ...................................... 42 2.9.2 Coeficiente de potencia (Cp) y potencia (N) .......................................... 43.

(8) Índice. 2013. 2.10 Esquema del aerogenerador propuesto..................................................... 44 2.10.1 Esquema del rotor................................................................................ 44 2.10.2 Pala...................................................................................................... 45 2.10.3 Generador eléctrico ............................................................................. 46 2.10.4 Esquema del aerogenerador ............................................................... 47 2.10.5 Esquema del soporte del rotor ............................................................. 48 2.10.6 Generador eléctrico ............................................................................. 49 2.11 Conclusiones parciales .............................................................................. 49 CAPÍTULO 3 OBTENCIÓN DE RESULTADOS ................................................... 50 3.1 Introducción.................................................................................................. 50 3.2 Cálculo de los tornillos en la pala................................................................. 50 3.2.1 Cálculo de la clase del tornillo ............................................................... 51 3.3 Estudio del eje principal ............................................................................... 52 3.4 Cálculo de los rodamientos .......................................................................... 53 3.5 Cálculo de la clase de tornillos en el acoplamiento...................................... 54 3.5.1 Cálculo del tornillo M8X1 ....................................................................... 54 3.5.2 Cálculo del tornillo M10X1 ..................................................................... 55 3.6 Resultados obtenidos en el tabulador Excel ................................................ 56 3.7 Resultados del análisis realizado para la modelación, con software especializados.................................................................................................... 57 CONCLUSIONES ................................................................................................. 59 RECOMENDACIONES ......................................................................................... 60 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 61 ANEXOS ............................................................................................................... 66.

(9) Introducción. 2013. INTRODUCCIÓN Desde la prehistoria, cuando la humanidad descubrió el fuego para calentarse y asar los alimentos, pasando por la Edad Media en la que construía molinos de viento para moler el trigo, hasta la época moderna en la que se puede obtener energía eléctrica fisionando el átomo, el hombre ha buscado incesantemente fuentes de energía de las que sacar algún provecho para nuestros días, que han sido los combustibles fósiles; por un lado el carbón para alimentar las máquinas de vapor industriales y de tracción ferrocarril así como los hogares, y por otro, el petróleo y sus derivados en la industria y el transporte (principalmente el automóvil). Dicho modelo de desarrollo, sin embargo, está abocado al agotamiento de los recursos fósiles, sin posible reposición, pues serían necesarios períodos de millones de años para su formación (Wikipedia, 2009). Las fuentes de energía renovables son elaboraciones naturales más o menos complejas, de las que el ser humano puede extraer energía para realizar un determinado trabajo u obtener alguna utilidad. Por ejemplo: energía eólica, energía solar, energía solar térmica, energía hidráulica, energía de la biomasa, energía geotérmica, energía marítima. Las energías renovables han formado una parte importante en la energía utilizada por los seres humanos durante tiempos remotos, especialmente la solar, la eólica, y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar el calor y la luz del sol, son buenos ejemplos de ello. Con la llegada de la revolución industrial entre la segunda mitad del siglo XVIII y principios del XIX, se van abandonando las energías renovables cayendo casi en el olvido, en una época en que el consumo relativamente bajo, no hacía prever un agotamiento de las fuentes, ni otros problemas ambientales que más tarde, nos estarían pasando factura. A finales del siglo XX el hombre se comenzó a cuestionar el modelo energético imperante y desde entonces ha estado buscando vías que den solución a los problemas medio ambientales provocados por la combustión de combustibles fósiles, responsable en gran medida del calentamiento global del planeta. Otro de los problemas que el. 1.

(10) Introducción. 2013. hombre está enfrentando son los riesgos que propone el uso de la energía nuclear, puestos de manifiesto en accidentes como Chernóbil y Fukushima I. Con el paso del tiempo, y viendo como se deterioran las condiciones de vida del planeta, el hombre mismo en su afán de encontrar soluciones para revertir esta situación ha tenido regresar en el tiempo y retomar de nuevo las energías renovables. Una de estas fuentes de energía renovable es la que se puede obtener del viento la cual es transformada mediante aerogeneradores de diferentes características, los cuales pueden ser clasificados según la posición de su eje principal en horizontales o verticales. El desarrollo e implantación de estas máquinas eólicas ha constituido desde entonces un punto clave para muchos países desarrollados y en vías de desarrollo (Navasquillo, 2004). En Cuba durante mucho tiempo la energía del viento solo se utilizaba para el bombeo de agua mediantes 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. Pero poco se ha hecho para instalar aerogeneradores de pequeña potencia en regiones urbanas donde existe un potencial eólico que no se está explotando debidamente, los cuales pueden ser de gran utilidad al ser instalados en techos de viviendas, en azoteas de edificios, en el alumbrado público, esto es posible debido a que su configuración los hacen ideales para aplicaciones rurales y urbanas. Para aprovechar el potencial del viento en las ciudades los aerogeneradores verticales presentan varias ventajas que le permiten ser los más apropiados para aplicaciones en ambientes urbanos como son: La relativamente baja sensibilidad a la turbulencia, cambios de dirección de la velocidad del viento y el bajo costo de fabricación, hacen que estas máquinas resulten ventajosas para el ambiente urbano. El generador debajo del rotor, en vez de situarse detrás, ofrece ventajas para el montaje en techos y el acceso a los servicios de operación y mantenimiento, se evitan pérdidas en transporte, ya que la energía se producirá en el 2.

(11) Introducción. 2013. mismo lugar que se demanda, no requieren grandes espacios para su instalación y no precisan de grandes torres (Fariñas 2011). Desde el año 1998 el Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), perteneciente a la Universidad Central de Las Villas (UCLV), ha venido realizando diferentes trabajos de investigación que evidencian el desarrollo de la energía eólica, ejemplos de ellos: Morales (2002), sostiene que bajo las condiciones existentes en facultad de mecánica la mejor opción es un aerogenerador con eje horizontal, rotor a barlovento con tres palas, generador de imanes permanentes y flujo axial, sistema de regulación-orientación por momento de inercia en la cola. Castillo (2003), destaca que falta el diseño de las palas, la torre, el sistema de anclaje de la torre al suelo del aerogenerador propuesto por Morales (2002), como también el sistema de fijación que une las palas con la carcasa no garantiza una simetría angular entre las palas, entre otras cosas. En 2004 se puso en funcionamiento la máquina CEETA-SOLAR donada por CUBASOLAR. Fariñas (2008) analizó dos variantes original y actualizada del aerogenerador CEETA-01, la variante actualizada se obtuvo a partir del procedimiento propuesto por el mismo autor y se compara con el modelo de aerogenerador obtenido por el procedimiento de Mas y Batet variante original, a partir de los resultados recogidos por ambas variantes, y concluyo que la actualizada es superior a la original en cuanto a: cantidad y costo de la energía generada y factor de capacidad. Cabeza (2010) realiza la evaluación sobre el estado técnico y las causas que provocaron su deterioro y su salida de servicio de la máquina CEETA-SOLAR puesta en funcionamiento en 2004. López (2012), selecciona la máquina Giromill o tipo H para su diseño, calcula los parámetros aerodinámicos utilizando la Teoría de Doble Disco Actuador, además obtiene los parámetros aerodinámicos del rotor para diferentes posiciones. El autor basándose en el estudio bibliográfico de los aerogeneradores vertical y en el diseño preliminar de un aerogenerador de 0,5 kW, usa estos argumentos con el propósito de diseñar uno como banco de prueba y ensayo para el desarrollo y aplicación de esta tecnología en zonas urbanas donde existen turbulencias que son bien. 3.

(12) Introducción. 2013. aprovechas por estas máquinas, sus características demuestran que se desempeñan mejor en zonas urbanas que las de eje horizontal. Es interés de este trabajo el desarrollo y aprovechamiento de la energía eólica, por lo que representa como fuente de energía no contaminante, limpia y menos costosa al producirla. Teniendo en cuenta lo expresado anteriormente y la necesidad del país de investigar y desarrollar las fuentes de energía, en especial la energía eólica sobre las bases de una industria nacional, y basados en el diseño preliminar realizado por López es que se propone la siguiente hipótesis de investigación: Basándose en el diseño de un aerogenerador de eje vertical de 0,5 kW de potencia, es posible plantearse un nuevo esbozo del mismo para su construcción con fines investigativos. Para dar cumplimiento a la hipótesis de investigación se propone el siguiente objetivo general: Diseñar un aerogenerador de eje vertical modelo Giromill o tipo H de 0,5 kW de potencia con fines investigativos y docentes. Para dar cumplimiento a este objetivo general se proponen los siguientes objetivos específicos: • Realizar un análisis crítico del esquema preliminar propuesto por López (2012) y en base a este criterio realizar un estudio teórico sobre la posibilidad de plantear un nuevo rotor que aumente las prestaciones de este. • Complementar la documentación técnica, con los planos de ensamble del aerogenerador Giromill o tipo H de 0,5 kW de potencia. • Aplicar la metodología de cálculo dinámico para el prototipo de aerogenerador de eje vertical.. 4.

(13) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. CAPÍTULO. 1.. ANTECEDENTES,. CARACTERÍSTICAS. 2013. GENERALES. Y. PRINCIPALES TECNOLOGÍAS DE LOS AEROGENERADORES VERTICALES 1.1 Introducción El Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales Azucarera (CEETA) perteneciente a la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV), ha desarrollado un trabajo encaminado al estudio teórico y el diseño de las aeroturbinas. En el siguiente capítulo se abordarán las principales tecnologías y configuraciones básicas de los aerogeneradores con énfasis en los de eje vertical, se definen los principales aerogeneradores verticales y sus características, ya que a diferencia de las turbinas de eje horizontal, las cuales aprovechan el flujo del viento en forma axial, las de eje vertical reciben el flujo del viento tangencial, permitiendo que el rotor gire con viento en cualquier dirección. 1.2 Caracterización de la fuente de energía. El viento El viento surge como consecuencia del desigual calentamiento de la superficie terrestre, siendo la fuente de energía eólica, que a su vez es un recurso energético renovable, limpio y gratuito. La Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol que en lugares favorables puede llegar a ser del orden de 2000 kW/m² anuales; el 2% de ella se transforma en energía eólica capaz de proporcionar una potencia del orden de 10x17 kW. Y de aquí solo una ínfima parte de la energía del viento se aprovecha en los parques eólicos a través de las turbinas de viento y sin embargo, constituye una fuente de energía creciente y muy importante. La Tierra funciona como una gran máquina térmica que transforma parte del calor solar en la energía cinética del viento, la energía eólica posee muchas ventajas, pero cuenta también con los grandes inconvenientes de ser dispersa y aleatoria. Bajo la acción de la presión, el aire de la atmósfera se desplaza de un lugar a otro a diferentes velocidades, dando lugar al viento (Fernández, 2000). 5.

(14) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. El gradiente de velocidades es mayor cuanto mayor sea la diferencia de presiones y su movimiento viene influenciado por el giro de la Tierra. Las causas principales del origen del viento son: a) La radiación solar que es más importante en el Ecuador que en los Polos b) La rotación de la Tierra que provoca desviaciones hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur. c) Las perturbaciones atmosféricas. La cantidad de energía que puede generar una turbina eólica depende mucho de las características del viento. El viento es una masa de aire en movimiento y como tal posee una energía. Los aerogeneradores permiten utilizar dicha energía para generar directamente electricidad. Por lo tanto, antes de instalar un aerogenerador es conveniente conocer el potencial del viento en el lugar de emplazamiento. El viento es una masa de aire en movimiento, como ya se comentó anteriormente, resulta concluyente conocer la velocidad del aire a la que pasa por las palas del aerogenerador, la energía del viento es proporcional al cubo de la velocidad a la que se mueve (Cuesta, 2008). En la velocidad del aire se hallan otros factores que se deben tener en cuenta para un mejor uso de la energía eólica: a) La rugosidad del terreno: Los terrenos lisos y despejados como superficies de agua, llanuras sin arboleas producen una variación suave al contrario de las superficies accidentadas, como edificaciones urbanas, terrenos boscosos, etc. b) El relieve del terreno: Las elevaciones del terreno, tales como montañas, colinas, acantilados, etc., pueden ocasionar un aumento de velocidad si el perfil es de forma y pendiente suave o pueden disminuir la velocidad si se trata de fuertes pendientes, crestas o bordes agudos. c) Presencia de obstáculos: Los obstáculos, como edificios, arbolado o accidentes del terreno, provocan en general dos efectos desfavorables: una disminución de la velocidad del viento y un aumento de las turbulencias.. 6.

(15) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. Es claramente apreciable lo desfavorable que son estos factores en ciertas circunstancias para los aerogeneradores de eje horizontal, pero también es muy notable algo y es que lo perjudicial que resulta para uno es propicio para otro, es el caso claro de los aerogeneradores de eje vertical. Pero existen otras variables que caracterizan el potencial del viento como es la densidad del aire y la temperatura, cuanto más pesado sea el aire más energía recibirá el aerogenerador. La densidad del aire varía con la temperatura y la altura. El aire caliente es menos denso que el frío, por lo que cualquier turbina producirá menos energía durante el verano, con la misma velocidad de viento, que durante el invierno. 1.3 Actualidad de los aerogeneradores en Cuba La energía eólica en Cuba se ha utilizado durante muchos años para mover aerobombas que permitan el suministro de agua para la ganadería y las viviendas, estas máquinas se han ido deteriorando con el paso del tiempo. Pero esta situación ha ido cambiando poco a poco luego de un amplio plan de rescate en el año 2002 se han instalado más de 8000, en la mayoría de las provincias del país. Esto fue posible por el apoyo de la ONG Cubasolar, mediante la producción de aerobombas multipalas en la fábrica situada en la ciudad de Bayamo, provincia Granma (Moreno, 2005). Nuestros investigadores e ingenieros vencieron el mito de que “en Cuba no hay viento para la generación eólica”, y se continua demostrando su viabilidad técnica, económica y ambiental (Suárez, 2010). Existen argumentos que dan fe de lo anterior, para eso hay que remontarse al primer parque eólico que yergue como firme demostración de las potencialidades del viento en el archipiélago para producir electricidad. Cuba cuenta hoy con herramientas para planificar su desarrollo eólico, entre las que están el mapa del potencial eólico nacional. Números son los centros investigativos del país que se dedican al desarrollo y divulgación del uso de la energía eólica mediante aerogeneradores o aerobombas. 7.

(16) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. Ejemplo de ello: Centro Integrado de Tecnología Apropiada (CITA) de Camagüey; Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES) de Santiago de Cuba; Centro de Estudios de Energías Renovables (CETER), del Instituto Superior “José Antonio Echeverría” (ISPJAE); Grupo de Energía Solar de La Habana y el Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), de la Universidad Central de Las Villas (UCLV). Estos centros investigativos promueven la oportunidad para profundizar en la toma de conciencia sobre la importancia de incrementar el acceso sostenible a la energía, la eficiencia energética y la energía renovable en el ámbito local, nacional, regional e internacional. El despliegue de la energía eólica en Cuba se materializa con la puesta en marcha del primer parque eólico demostrativo en la Isla de Turiguanó el 16 de abril de 1999 con una potencia instalada de 0,45 MW, esta experiencia dio la posibilidad a nuestros investigadores e ingenieros de abrirse paso para la creación de tres nuevos parques eólicos (Los Canarreos en la Isla de la Juventud) con 1,65 MW de potencia instalada; Gibara- 1 en Holguín con 5,1 MW de potencia y Gibara- 2 con 5,4 MW de potencia). Estos parques eólicos en funcionamiento totalizan una potencia instalada de 11,7 MW. Todo esto como parte de un proyecto integral de desarrollo y aplicación de diferentes fuentes de energía renovable (Noda, 2010). Mientras que en las pequeñas máquinas las empresa Ecosol Solar en conjunto con la ONG Cubasolar, son quienes mayores logros han alcanzado. Hasta el momento estas instalaciones son a partir de máquinas eólicas adquiridas en firmas comerciales extranjeras y son mayormente utilizados fuera de la red eléctrica nacional como respaldo de estaciones de radio, instalaciones de telecomunicaciones de difícil acceso, también en estaciones marinas, guarda fronteras o localidades aisladas. Debido a que los pequeños aerogeneradores han dado una buena respuesta en las aplicaciones antes mencionadas la demanda ha crecido. En este sentido varios. 8.

(17) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. departamentos de investigación cubanos desarrollan experiencias que tienen por finalidad llegar a producir una pequeña máquina eólica (Fariñas, 2011). 1.4 Máquinas Eólicas El inicio de la maquinas eólicas es muy impreciso en sus orígenes por lo que no se puede determinar el lugar donde surgen por primera vez. Sus antecedentes fueron los llamados molinos de viento que se utilizaban para el bombeo de agua y la molienda de cereales, estos molinos eran de eje vertical y tenían entre 2 y 6 palas. Estas no resultaban demasiado eficaces (Cuesta, 2008). Con el paso del tiempo el hombre se dedicó a estudiar cómo adaptar estos antiguos molinos como aerogeneradores, el desarrollo de los aerogeneradores ha sido amplio y en la actualidad existen diferentes tipos y van en dos direcciones, por un lado están los aerogeneradores de eje vertical y por otro los de eje horizontal.. Las. mejoras. tecnológicas. que. se. han. aplicado. sobre. los. aerogeneradores de eje horizontal y las consecuentes mejorías en las prestaciones técnicas y económicas han dejado en segundo plano el desarrollo de los aerogeneradores de eje vertical. Sin embargo, a pequeña escala, los aerogeneradores de eje vertical vuelven a ser competitivos respecto a los de eje horizontal si se consideran algunas ventajas que conservan los aerogeneradores verticales. 1.5 Eficiencia de los aerogeneradores de eje vertical No es posible convertir toda la energía cinética del viento en energía mecánica rotacional (Núñez, 2004), debido a que existen diferentes limitaciones como el rozamiento aerodinámico y mecánico, las condiciones del terreno, la velocidad del viento, límite de Betz, etc., que solo permiten en la práctica aprovechar, y en el mejor de los casos, un 40% de la energía eólica disponible (Cuesta, 2008), según la ley de Betz para la conversión de la energía eólica el máximo ideal que se puede obtener por un aerogenerador es el 59% de la potencia del viento (Núñez,. 9.

(18) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. 2004). En la Figura 1.1 se muestra la variación del coeficiente Cp en función de la velocidad para distintos tipos de aerogeneradores de eje horizontal y vertical.. . Figura 1. 1. Eficiencia de varios aerogeneradores En la figura anterior se puede observar como compiten los modelos más exitosos como el Darrieus y los aerogeneradores horizontales. Entre los aerogeneradores de eje vertical, el rotor Darrieus tiene la gracia de alcanzar una velocidad de rotación muy alta, por eso logra una velocidad tangencial o TRS mayor que 1, mientras que para otros aerogeneradores verticales es difícil lograr una velocidad rotacional independiente y superior a la que impone el viento, justamente lo anterior, se convierte en una razón más para alcanzar el diseño del prototipo. 1.6 Máquinas Eólicas de eje Vertical Considerando las publicaciones de Leal y Cuesta (2008) y Paraschivoiu (2009), los aerogeneradores de eje vertical son presumiblemente, las primeras máquinas que se utilizaron para la captación de energía eólica, son conceptualmente más sencillas que las de eje horizontal. Entre las máquinas eólicas de eje vertical se pueden mencionar:. 10.

(19) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. a) El aerogenerador Savonius que puede arrancar con poco viento, siendo muy sencilla su fabricación; tiene una velocidad de giro pequeña y su rendimiento es relativamente bajo. b) El aerogenerador Darrieus requiere un correcto funcionamiento, vientos de 4 o 5 m/s como mínimo, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento; se construyen de 2 o 3 hojas. c) El aerogenerador Giromill o tipo H que proviene del rotor Darrieus; tiene entre 2 y 6 palas rectas.. Figura 1. 2. Rotores: a) Savonius b) Darrieus c) Giromill o Tipo H Los aerogeneradores de eje vertical debido a su simetría vertical, no necesitan sistemas de orientación para alinear el eje de la turbina con la dirección del viento, su mantenimiento es más sencillo, dada su poca altura con respecto al suelo y en el caso de que trabaje a velocidad constante, no es necesario incorporar ningún mecanismo de cambio de paso, menor coste de instalación. La gran ventaja de estos pequeños aerogeneradores es la portabilidad del conversor energético. Son una solución excelente sobre todo cuando trabajan en conjunto a otros sistemas energéticos portátiles como en el caso de las celdas solares o celdas de combustible (sistemas híbridos) (Núñez, 2004).. 11.

(20) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. 1.7 Tipos de Aerogeneradores Verticales Estudiando el hecho que el prototipo a desarrollar en este trabajo es de eje vertical, se presenta a continuación una rápida visión del estado del arte de estos aerogeneradores. 1.7.1 Consideraciones Técnicas Los aerogeneradores verticales tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección de viento y por ello se les llama panemonos (todos los vientos). No precisan dispositivos de orientación; trabajan por la diferencia de coeficiente de arrastre entre las dos mitades de la sección expuesta al viento. Esta diferencia de resistencia al viento hace que el rotor sea propenso a girar sobre su eje en una dirección específica. A excepción del rotor Darrieus, los aerogeneradores de eje vertical operan con vientos de baja velocidad donde difícilmente superan las 200 rpm. Se emplean para generar potencias que van de los 200 W a los 4 MW. Estos aerogeneradores son mucho más fáciles de reparar pues todos los elementos de transformación de la energía del viento se encuentran a nivel de suelo. El inconveniente de este tipo de turbinas es que el eje no se ubica a mucha altura y las velocidades del viento disminuyen al llegar al suelo por efecto de la rugosidad del mismo (Núñez, 2004). La velocidad del viento crece de forma importante con la altura, con lo que estos aerogeneradores han sido desplazados por los de eje horizontal. De todas formas, emplazar un aerogenerador a más altura mediante una torre implica incurrir en costos adicionales ligados a la seguridad del soporte del aerogenerador. La tecnología de estos aerogeneradores ha tenido un avance significativo en los últimos años y autores como Moreno (2010), Fernández (2008), Paraschivoiu (2009) y Medina (2006), entre otros sugieren que son las más adecuadas para el entorno urbano, ya que tienen un mejor desempeño en condiciones de viento turbulento.. 12.

(21) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. 1.7.2 Savonius El modelo de rotor Savonius es el más simple. Consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual sus dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una S; las partes cóncavas de la S captan el viento, mientras que los reversos presentan una menor resistencia al viento, por lo que girarán en el sentido que menos resistencia ofrezcan. Este sistema tiene el inconveniente de presentar una sobre presión en el interior de las zonas cóncavas al no poder salir el aire, perjudicando el rendimiento; el sistema queda mejorado separando ambas palas y dejando un hueco entre ambas para que exista un flujo de aire (Núñez, 2004). El rotor Savonius trabaja esencialmente por arrastre. Por su sencillez y bajo costo es fácil de construir con técnicas artesanales. Se los emplea en aplicaciones que requieren potencias pequeñas como es el caso de los extractores de aire en grandes edificios industriales o depósitos y en bombeo de agua. Existe una variante del rotor Savonius que incluye un mecanismo difusor de álabes fijos, que a su vez se pueden orientar como conjunto mediante una aleta de cola. Esto permite dirigir el viento hacia un rotor con varias aspas, 10 o más, provocando su giro sin apenas efectos de frenado y mejorando por lo tanto su rendimiento (Leal, 2004).. Figura 1. 3. Savonius con difusor Otro modelo de estos aerogeneradores es la turbina cónica, la cual incorpora 3 velas en espiral envolvente en una configuración que utiliza el impulso de masa del viento para hacer girar las velas alrededor de un mástil central aprovechando la fuerza de arrastre (Dobson, 2011). La fuerza se aplica a las velas por el viento. 13.

(22) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. al entrar y salir de la turbina, permitiendo la extracción máxima de energía del viento. Esta turbina fue construida en una forma cónica en lugar de una forma cilíndrica por varias razones estructurales. La misma cantidad de material puede ser utilizado para crear tanto una sección transversal cilíndrica y una turbina cónica sección transversal. El cono tendrá una mayor sombra del viento, una mayor resistencia estructural de los materiales utilizados, sobre todo por el mástil central y cables de tensión, se puede ajustar con precisión la alineación dinámica y rigidez. Este aerogenerador vertical también se puede montar en la parte superior de un árbol, con 3 cables adicionales que sujetan el soporte triangular vertical. Cualquier vaivén del árbol en el viento también debe aumentar la velocidad de giro de la turbina, lo que amplifica el poder impartido en el generador. Esta turbina trabaja a bajas velocidades del viento y la potencia que genera oscila entre los 25 y 30 W, su uso más común es para cargar baterías para utilizarlas en las casas o alumbrado de carreteras (Dobson, 2011).. Figura 1. 4. Turbina cónica Otro novedoso aerogenerador es el prototipo Windside, concebido por la empresa finlandesa Windside. Son diseños muy complejos capaces de entregar 50 kW. Es un sistema similar al rotor Savonius, en vez de la estructura cilíndrica para aprovechamiento del viento, consiste en un perfil alabeado con torsión que asciende por el eje vertical. Esta tecnología relativamente nueva y prometedora, con rendimientos similares a los aerogeneradores de eje horizontal. 14.

(23) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. El Windside es un aerogenerador vertical basado en principios de ingeniería de vela, la turbina gira mediante dos paletas en forma de espiral. Estas máquinas no precisan de multiplicadores para elevar la velocidad, utilizan generadores de imanes permanentes, trabajan con vientos variables que pueden oscilar entre 1,5 y 18 m/s y son utilizados para abastecer medianos y pequeños consumos (Cuesta, 2008).. Figura 1. 5. Tipo Windside Otro modelo de este diseño son las pequeñas máquinas WS-0,15, las cuales presentan un área de barrido de 0,15 m² con peso de 38 kg, diseñadas para ambientes de alta velocidad de viento. Se utilizan en la medición de diferentes sistemas de control y como un generador de electricidad para los aparatos eléctricos pequeños. Se puede encontrar en las regiones montañosas, mar, glaciares y en los costados de las carreteras, son capaces de resistir las tormentas, la corrosión, el hielo y la arena (Gutiérrez, 2011).. Figura 1. 6. Windside tipo WS-0,15. 15.

(24) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. 1.7.3 Rotor Darrieus Este modelo es el más popular de los aerogeneradores de eje vertical. Nace por la necesidad de evitar la construcción de hélices sofisticadas como las que se utilizan en los aerogeneradores de eje horizontal. Este rotor arranca mal, mientras que el Savonius se puede poner en funcionamiento con una pequeña brisa; debido a ello se puede hacer una combinación sobre un mismo eje de ambas máquinas de forma que un rotor Savonius actúe como motor durante el arranque y un rotor Darrieus sea el que genere la energía para mayores velocidades del viento como se muestra en la figura 1.7, aunque una vez en marcha es capaz de mantenerse gracias a la aerodinámica de sus palas (Núñez, 2004).. Figura 1. 7. Rotor Darrieus acoplado a dos rotores Savonius Requiere para un correcto funcionamiento, vientos de 4 a 5 m/s como mínimo, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento (Paraschivoiu, 2009); se construyen con 2 ó 3 hojas que pueden ser en forma de curda de saltar simétricas o helicoidales, las mismas trabajan por sustentación. A continuación se presentan varias configuraciones de estas máquinas.. 16.

(25) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. El rotor Darrieus modelo Troposkein consta de unas finas palas con forma de ala de avión simétricas, que están unidas al eje sólo por los dos extremos, con una curva especial diseñada que al poseer una forma parecida a una cuerda para saltar en pura tensión hace que los alerones del Darrieus experimenten una fuerte fuerza centrífuga para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje (Gutiérrez, 2011). No necesita de un sistema de orientación, esta característica de captación omnidireccional le permite ser instalado en cualquier terreno sin necesidad de levantar altas torres, lo que trae consigo un ahorro en el costo de la máquina. Una forma de facilitar el arranque de esta máquina es utilizando, rotores Savonius. La otra forma es usar un sistema eléctrico. Usualmente se utiliza un generador de inducción conectado a la red. Una vez que el Troposkein se encuentra en velocidad de operación empieza a entregar potencia.. Figura 1. 8. Darrieus tipo Troposkein Otro modelo es el Quietrevolution, turbina eólica de eje vertical, diseñada específicamente para entornos urbanos, donde el viento suele ser más suave, la turbina funciona con corrientes de viento con una velocidad mayor de 5 m/s. Se mueve independientemente de la dirección del viento y lo hace con la mayor suavidad reduciendo el ruido de la velocidad de punta de pala, permitiendo ser colocada en azoteas y cerca de viviendas. Puede generar hasta 8000 kW/h al año y su configuración difiere de las comúnmente instaladas, característica que permite disminuir el impacto visual de la máquina (Coba, 2009).. 17.

(26) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. Figura 1. 9. Turbina Quietrevolution Otra variante del Darrieus es la turbina Dermond fabricada para instalarse en los tejados de los edificios, en regiones costeras y en zonas que no estén conectadas a la red eléctrica. En la figura 1.10 se muestra un modelo del prototipo diseñado, el cual está compuesto por 3 cuchillas idénticas con una superficie de sustentación para las cuchillas, con las cuales generan una potencia de 100 kW. Tiene un cable tensor de 600 mm, los puntales horizontales son fabricados con acero tubular, la torre está fabricada con acero tubular y es de 1,5 metros de diámetro y tiene una longitud de 30 metros. El eje principal, situado en el centro de la turbina abarca el sistema de cojinetes, los frenos mecánicos, el acelerador de velocidad y el generador. La estructura está diseñada para resistir una velocidad del viento de 200 km/h, los materiales empleados, incluyendo el eje principal, están diseñados para resistir la corrosión del viento marino y el tiempo de vida útil de la turbina es un mínimo de 20 años (Monteverde, 2004).. Figura 1. 10. Darrieus tipo Dermond. 18.

(27) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. Según Fernández (2008), un modelo bastante parecido al Quietrevolution es el Darrieus de 3 hojas torcidas helicoidalmente a 120 grados, el cual presenta gran aceptación para ser utilizado en las ciudades, debido a sus diseños que se prestan para ser instalados en postes de alumbrado, jardines, etc. La velocidad de funcionamiento de estas máquinas es entre 4,5 y 25 m/s y el rango de potencia de estos. aerogeneradores. depende. de. las. dimensiones. de. diseño. y. las. características del viento en el lugar donde se instale y oscilan entre los 500 W y 100 kW.. Figura 1. 11. Darrieus de 3 hojas helicoidales 1.7.4 Darrieus Giromill o tipo H La patente de Darrieus también cubrió las turbinas con alerones verticales de eje recto llamadas Giromill. La turbina Darrieus de hojas rectas, llamada también tipoH, fue investigada posteriormente en los años 1970 y 1980 por Peter Musgrove (Leal, 2008). Este tipo de aerogeneradores consisten en palas verticales unidas al eje por unos brazos horizontales, que pueden salir por los extremos del aspa e incluso desde su parte central. Una variante del Giromill es la turbina Urbangreen, la cual trabaja a velocidades del viento de 3 a 25 m/s. Son máquinas fabricadas para utilizarlas con fines domésticos, situadas en los tejados de los supermercados para suministrar energía a pequeños equipos electrónicos ya que presentan potencias bajas 600 a 750 W.. 19.

(28) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. Figura 1. 12. Giromill tipo Urbangreen Una. variante. del. Giromill. es. la. Cycloturbine. con. alerones. orientados. mecánicamente. A diferencia de otros aerogeneradores de eje vertical, este tipo de rotor tiene la ventaja de auto-reducir la resistencia de una de sus secciones gracias a la orientación autónoma de los alerones, los cuales están libres de girar sobre sus ejes. En la sección contraria, se aprovecha esta misma característica no permitiendo a los alerones tomar una posición que minimice la resistencia y obligándolos a permanecer ortogonales al viento, maximizando la resistencia. Este diseño ha sido retomado por diversos fabricantes en las últimas décadas para el diseño de turbinas urbanas de baja escala (Prátula, 2009).. Figura 1. 13. Alerones orientados mecánicamente Otro modelo de estas turbinas es la Windspire fabricadas en Estados Unidos, las cuales son diseñadas para darle energía a hogares, pequeñas empresas, escuelas, museos, parques y edificios comerciales. Esta máquina genera 20.

(29) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. electricidad cuando el viento sopla en contra de las alas verticales que las hacen girar a velocidades de viento medias de al menos 4,5 m/s, a pesar de que funcionan mejor cuando los vientos promedio superan los 5,4 m/s. Este modelo presenta 3 palas, un diámetro equivalente del rotor de 3,05 m con un área de barrido de 7,43 m², la altura del centro del rotor es de 6,10 m, el rotor gira a velocidades variables entre (0-500) rpm y su potencia eléctrica nominal es de 1 kW (Huskey, 2010).. Figura 1. 14. Turbina tipo Windspire Dentro de esta gama también se encuentran los aerogeneradores PacWind se pueden instalar en hogares, barcos, edificios, en zonas alejadas, en fin en cualquier lugar que se necesite la energía. Según publicación de Medina (2006), el modelo PacWind se puede escalar hasta lograr potencia de 1 MW o más.. Figura 1. 15. Modelo PacWind Actualmente PacWind ofrece 10 diseños que se extienden de 500 W a 60 kW (Medina, 2006). Entre ellos con gran éxito se encuentra el modelo SeaHawk, es la primera turbina pequeña de la serie que es capaz de producir 1 kW en su base y 3.4 kW en máxima potencia. El modelo SeaHawk incorpora un generador AC 21.

(30) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. desarrollado a base de magnetos de última generación, únicos en la industria. Esto permite que logre generar más electricidad a bajas velocidades del viento comparado con las otras turbinas de eje vertical. Figura 1. 16. Turbina tipo SeaHawk La turbina eólica GEO4K, ha sido desarrollada y patentada por Geolica Innovations, laboratorio de Kliux Energies, fabricadas para fomentar la instalación de turbinas eólicas residenciales, esta máquina se encuentra en pruebas por lo que el prototipo de la figura 1.17 se instaló en cuatro emplazamientos diferentes para evaluar su rendimiento y poder desarrollar mejoras en el generador y demás componentes (Ecobusinesslinks, 2012).. Figura 1. 17. Turbina tipo GEO4K El aerogenerador McCamley está específicamente diseñado para ser montado en los edificios y en las zonas urbanizadas para ayudar a facilitar un crecimiento de la energía renovable Urbano. Con sus características únicas, desafía muchas de las cuestiones que han impedido la expansión de la energía eólica en el entorno 22.

(31) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. urbano. Sin necesidad de estar conectada a la red para iniciar su arranque esta turbina comienza a funcionar con velocidades de viento desde 1,8 m/s, puede seguir funcionando con vientos de tormenta, es decir que es capaz de operar en las ráfagas de viento y turbulento desde cualquier dirección, mínimo ruido y bajas vibraciones, posee un diseño ligero que ayuda a reducir los requisitos estructurales de la construcción, esta máquina logra un rango de potencia que va desde 1 hasta 24 kW.. Figura 1. 18. Turbina McCamley 1.8 Evaluación del aerogenerador propuesto por López (2012). Análisis crítico. El autor tiene la intención de ser una parte activa en el desarrollo de la energía renovable, conocer las características del diseño del aerogenerador propuesto por López (2012) juega un papel importante pues aporta nuevas opciones en este sentido. A continuación se analiza la configuración general de este. 1.8.1 Selección. 23.

(32) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. El modelo Darrieus, es en la actualidad la máquina más difundida dentro de los aerogeneradores de eje vertical, por tener un rendimiento superior a las otras disposiciones. Según la bibliografía consultada, y considerando el prototipo propuesto por López (2012), el autor reelige el rotor Darrieus por su fácil configuración, buen rendimiento en zonas urbanas de alta turbulencia, además de utilizar palas rectas evitando una configuración de palas complicadas como las helicoidales. Las palas helicoidales presentan alta complejidad en su diseño y para su construcción se precisa de materiales muy costosos, además de la poca disponibilidad constructiva que disponen las empresas cubanas no es posible construir otras palas que no sean las de aspecto recto. 1.8.2 Configuración del rotor López (2012) efectuó el diseño del rotor con palas de un rotor de helicóptero, usadas anteriormente en el aerogenerador CEETA-SOLAR, dichas palas por ser únicas representan un problema y además el peso de las mismas afecta principalmente el rendimiento aerodinámico de la máquina, el autor sugiere evitar por completo el uso de estas palas y propone un modelo nuevo de palas y al mismo tiempo para ser creadas a partir de un material, usado en instalaciones hidráulicas llamado Polietileno de Alta Densidad (PEAD), un material resistente y a la vez lo bastante ligero, que puede dar solución al peso de las palas, esperando que así aumente del rendimiento aerodinámico de la máquina. Basado en las prestaciones y aplicaciones que se pretenden para la máquina así como por las condiciones externas a la que deberá estar la misma, la configuración tripalas es una alternativa ventajosa, esta disposición se justifica por la suavidad de funcionamiento, disminuyen las vibraciones de la máquina, fácil balanceo y bajo nivel de ruido originado en su marcha, aspecto importante este ya que estas máquinas son generalmente instaladas muy cerca de lugares habitados, siendo estéticamente las más aceptadas por su armonía en las comunidades.. 24.

(33) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. 1.8.3 Sistema de transmisión Según López (2012) el uso de generadores acoplados favorece a la reducción del costo de la electricidad producida que se debe a una disminución en el costo del tren de potencia, a la disminución de las perdidas por conversión de energía y a una mejora de la disponibilidad en el conversor de energía. En turbinas con potencia inferior a 10 kW, generalmente, no se utiliza el multiplicador ya que el rotor es conectado directamente al generador, (Villarubia, 2004). Lo anterior argumenta el uso de generadores acoplados, características del sistema de trasmisión escogido dado que para aerogeneradores con potencias por debajo a 10 KW no le es favorable las relaciones masa potencia que se tienen al introducir una caja multiplicadora al sistema, siendo otro inconveniente el espacio físico disponible que no permite la inserción de este tipo de mecanismo. 1.8.4 Generador eléctrico Para el diseño planteado se utilizará un generador eléctrico de imanes permanente de flujo radial, este generador es el mismo presentado en el proyecto de López (2012), debido a que es el único que se tiene en la facultad con características favorables para ser usado en aerogeneradores verticales, que muestra una potencia de 500 W y velocidad de giro de 293 rpm. Según Núñez, (2004) los generadores de imanes permanentes presentan características favorables para ser instalado en pequeñas máquinas. Núñez, (2004) considera que el uso de un generador de imanes permanente de flujo axial o radial es una opción ventajosa, ya que al colocar un mayor número de imanes en el generador implica rebajar su rango de operación considerando revoluciones en el eje. Rebajar el rango de operación del alternador, tiene como objetivo evitar el uso de una caja mecánica multiplicadora. Dejar de lado componentes mecánicos sígnifica evitar pérdidas que comprometan la eficiencia global de la conversión energética.. 25.

(34) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. 1.8.5 Torre López (2012) en su diseño, no precisa de una torre para el aerogenerador, el cual posee una altura total de 1,90 m ensamblado al soporte del mismo, propuesto a instalarse en la azotea de la Facultad de Ingeniería Mecánica, con el objetivo de sobrepasar los obstáculos que ofrecen las construcciones de la UCLV, ubicar aerogeneradores en dicho lugar ofrece ventajas, pues en esa zona se están reuniendo una serie de equipamientos que forman parte de la cátedra de energía renovable de la Facultad de Ingeniería Mecánica, además esa zona ha sido lugar de emplazamiento para máquinas eólicas anteriormente instaladas, es conocido que a mayor altura, mayor es la velocidad del viento puesto que el efecto de fricción de las capas contra el suelo disminuyen, en este caso bastaría con introducir un soporte para el aerogenerador, con la inclusión de una torre existe el problema de que cuando la frecuencia propia de la torre, junto con el peso del rotor y las palas, coincide con la frecuencia a la que gira el rotor, que origina un movimiento vibratorio peligroso en la torre, ambas frecuencias entran en resonancia y pueden destruir el aparato. Además una torre aumentaría el uso de material y también de costos. 1.9 Conclusiones parciales 1. A partir del análisis realizado al diseño del aerogenerador propuesto por López (2012) se detectó que: • Faltan los planos de ensamble correspondiente al aerogenerador sin estos es imposible poner en marcha dicha máquina. • Las palas seleccionada que conforman el rotor, debido a su peso no garantizan el rendimiento óptimo de la máquina. 2. En el diseño de máquinas eólicas un aspecto importante es lo que representa el peso en el aerogenerador, razón por la cual se propone el cambio de palas y del material de las mismas para eliminar sobrepeso.. 26.

(35) Capítulo 1 Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales. 2013. 3. Se selecciona la máquina Darrieus con una configuración tripalas para el rotor, la cual acondiciona al aerogenerador para que trabaje con menos vibración, mayor suavidad en el funcionamiento y mejor balanceo.. 27.

(36) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. CAPÍTULO 2 METODOLOGÍA PARA EL CÁLCULO AERODINÁMICO DE ROTORES VERTICALES 2.1 Introducción En este Capítulo se realizan los cálculos necesarios para dimensionar los elementos del aerogenerador vertical, específicamente el rotor del generador, y la estructura de sujeción de la máquina. Los cálculos se realizarán para un modelo de máquina con potencia de 500 W del cual se elaborarán los planos de pieza y ensamblen como culminación del diseño del aerogenerador. Los cálculos se realizan en base a la teoría de impulso para turbinas de eje vertical, mediante la metodología de la Teoría de Doble Disco Actuador la cual fue perfeccionada por López, Betancourt y Santos, (2008) para aerogeneradores Giromill o tipo H. 2.2 Cálculo y dimensionamiento del rotor 2.2.1 Área barrida por las palas Es el área de la superficie total barrida por las palas del rotor, perpendicular a la dirección del flujo. La potencia en el eje de la turbina es directamente proporcional al área de barrido del rotor. Para máquinas de eje vertical (flujo transversal), con un radio uniforme alrededor del eje de rotación igual a (D/2) y altura H, el área barrida según Fernández, (2008), se determina en la ecuación (2.1).. A= H ∗D. (2.1). Para calcular el área de barrido del rotor se necesita conocer el diámetro, el cual se determina despejando de la ecuación (2.2):. 1 N eje = .ρ .(H .D )v 3 * C P 2. (2.2). Donde:. 28.

(37) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. D: Diámetro del rotor H: Longitud o altura de las palas Para el cálculo del diámetro del rotor, la potencia de diseño será aquella potencia de salida del generador (NGen) (Parachivoi, 2009). Entonces: N Gen = N eje .ηtran .ηGen. (2.3). Donde: NGen: Potencia de salida del generador = 0,5 kW ηg: Eficiencia del generador, 0,95 ηt: Eficiencia de la transmisión, para este caso la eficiencia de la transmisión se tomara 1, pues esta máquina solo tiene el acoplamiento y rodamientos. Luego, al reemplazar en la ecuación: 2.2 queda de la siguiente forma.. N Gen =. 1 * ρ * (D * H )v 3 * C P *η tran *η Gen 2. (2.4). Donde despejando el diámetro: D=. 2 N Gen ρ * H * v * C P *η tran *η Gen 3. (2.5). ρ: Densidad del viento = 1,2 kg/m3 H: Altura de la pala = 1,50 m v: Velocidad del viento = 10 m/s Cp: Coeficiente de potencia, para máquinas de eje vertical está comprendido entre (0,25-0,35), (Fernández, 2008). Determinar el área de barrido de las palas, así como el diámetro del rotor, es el primer paso para empezar a diseñar una máquina eólica del tipo que fuese, da. 29.

(38) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. una idea desde el mismo comienzo de cómo se va a configurar la turbina. De aquí en lo adelante se aplica una metodología de la Teoría de Doble Disco Actuador. 2.3 Tamaño de las palas y coeficiente de solidez Cuando un aerogenerador dispone de un número determinado de palas ( i ), la superficie total de las mismas se puede calcular mediante la ecuación 2.6.. ST = i ∗ Si = σ ∗ A. (2.6). Donde: St: Superficie total de las palas en m2 i: Número de palas Si: Superficie de una pala en m2 A: Área barrida por el rotor en m2 σ: Coeficiente de solidez. La solidez del rotor se puede interpretar como la relación entre el área geométrica de la pala y el área barrida por ella en su giro, es decir:. σ=. i *c 2* R. (2.7). Siendo (c) la cuerda del perfil del alabe Para obtener la superficie de una pala se divide el área total, obtenida en ecuación 2.8 por el número de ellas: Si =. ST i. (2.8). 2.4 Determinación de la sustentación que actúa sobre la superficie de acción de la pala Las fuerzas de sustentación y la de arrastre son las fuerzas que actuar sobre las palas y determinan el funcionamiento de un aerogenerador. El hecho de diseñar 30.

(39) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. un rotor tipo Giromill, hace que la fuerza que determine el funcionamiento del aerogenerador sea la fuerza de sustentación, en la que también la de arrastre es representada junto a la de sustentación, como se muestra en la figura 2.1.. Figura 2. 1. Representación del análisis de las fuerzas La sustentación es la fuerza generada sobre un cuerpo que se desplaza a través de un fluido, de dirección perpendicular. a la de la velocidad de la corriente. incidente. Como con otras fuerzas aerodinámicas, en la práctica se utiliza coeficientes adimensionales que representan la efectividad de la forma de un cuerpo para producir sustentación y se usan para facilitar los cálculos y los diseños. El modelo matemático de la fuerza de sustentación es: (2.9) Donde: Fi: fuerza de sustentación 31.

(40) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. : densidad del fluido= 1.2 kg/m³ V: velocidad del flujo= 30 m/s A: área de contacto= 0,6 m Cl: coeficiente de sustentación= 1,3 Por tanto. 2.4.1 Cálculo de la componente de la fuerza de sustentación Para el cálculo de la componente de la fuerza de sustentación es necesario conocer el verdadero valor de la superficie de la pala en contacto con el viento, solo así se podrá tener una aproximación de la magnitud de la fuerza, la cual se calcula de la siguiente manera: (2.10) Donde: Fr: componente de la fuerza de sustentación : ángulo entre al componente y la fuerza de sustentación Fi: fuerza de sustentación Con la fuerza de sustentación calculada se procede al cálculo de la componente.. 2.5 Estudio al rotor del aerogenerador En el epígrafe anterior se calculo la fuerza que actúa sobre la pala, parámetro esencial para llevar a cabo el estudio del rotor se utilizó el Software Autodest 32.

(41) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. Invertor Professional 2012, y así saber el comportamiento de los elementos estructurales que conforman el rotor, en cuanto a: • Rigidez. • Desplazamientos, tanto en las palas como en el rotor. • Deformaciones plásticas en la pala. • Momentos flectores en la barra. Las fuerzas fueron colocadas de forma tal que exista un momento sobre el rotor como se muestra en la Figura 2.2. La representación de esta fuerza es a todo lo largo de la superficie de la pala. La fuerza del viento que incide en la pala se descompone en fuerzas de arrastre y fuerzas de sustentación.. Figura 2. 2 Fuerzas actúan sobre las palas Como parte del estudio al rotor, se realizó un análisis de frecuencia para saber el desplazamiento del mismo. A continuación se muestra el esquema obtenido. Ver figura 2.3.. 33.

(42) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. Figura 2. 3. Gráfico que representa el desplazamiento del rotor El gráfico anterior muestra los desplazamientos que ocurren en el rotor, se puede apreciar que no ocurren desplazamientos en la barra del rotor, en tanto en la pala ocurre una deformación máxima de 0,7724 mm. En el anexo III se muestra un resumen de los resultados obtenidos en la simulación. 2.6 Velocidades y sus componentes Para determinar estas velocidades el autor se basa en la Teoría de Doble Disco Actuador, la cual brinda una solución generalizada de la teoría de impulso de las máquinas verticales (Parachivoi 2009), permitiendo analizar primero la parte de barlovento y después la parte de sotavento. Las velocidades que se necesitan calcular son las siguientes. V1 y U1: Velocidad del flujo a barlovento y su componente. Ve y Ue: Velocidad de equilibrio y su componente.. 34.

(43) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. V2 y U2: Velocidad del flujo a sotavento y su componente. Vd y Ud: Velocidad del flujo cuando sale del cubo del rotor y su componente. Para determinar estas velocidades y sus componentes cada sección del rotor con un. plano. horizontal. constante. (y=cte.). se. considera. aerodinámicamente. independiente, es decir, se analiza el flujo bidimensional para cada plano. En este caso se analizará la máquina con alabes rectos.. Figura 2. 4. Diagrama del cubo del rotor Cada sección (y=cte) se divide en dos mitades, una por donde llega el viento (barlovento x>0) y otra por donde escapa el viento (x<0 sotavento). De este modo la parte de barlovento se considera independiente del lado de sotavento (pero esto no sucede a la inversa). Al principio se calculan las componentes de la velocidad para barlovento y en la sección x=0 Ve y Ue. Después considerando que al lado de sotavento llega un flujo con componentes Ve y Ue se resuelve el lado de sotavento y se obtienen las velocidades que faltan. Las velocidades (V1, U1, Ve, Ue, V2, U2, Vd, Ud) se consideran constantes a través del área barrida Samsonov, (2006). 35.

(44) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. Una vez conocidas las diferentes velocidades que inciden sobre el rotor y estableciendo los planos para analizar las velocidades de manera independientes, entonces se puede determinar las relaciones de velocidad para calcular la misma. 2.6.1 Relaciones de velocidad Para poder calcular las relaciones de velocidad y sus componentes se necesitan los coeficientes de frenado del viento, a1y b1 para barlovento y para sotavento a2 yb2 los cuales son adimensionales y se determinan en las figuras del Anexo I. Los gráficos de estas figuras están confeccionados en función del coeficiente de solides (σ) y el coeficiente de velocidad circunferencial (Z). Dichos coeficientes se determinan por las ecuaciones que a continuación se muestran:. σ: Coeficiente de solides = 0,33. calculado en la ecuación 2.7.. Z: Coeficiente de velocidad circunferencial = 3,73. Se obtiene de la siguiente ecuación:. Z=. ω*R v. = TSR. (2.11). Conociendo estos valores se pueden determinar los coeficientes de frenado del viento. Donde: a1= 0,930 y b1= -0,010 a2= 1,04 y b2= -0,1. 36.

(45) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. Una vez que se tienen todos los datos necesarios para determinar las velocidades, se calculan mediante la teoría de Joukowski Betz, la cual presenta las ecuaciones siguientes. Para barlovento:. v1 = a1 * v. (2.12). u1 = b1 * v. (2.13). Donde: v:Velocidad del flujo libre = 10 m/s Para sotavento. v2 = a2 * ve. (2.14). u2 = b2 * ve. (2.15). Donde: Ve: Se determina en la ecuación siguiente:. ve = (v1 * 2) − v. (2.16). Mientras que ( ue , vd y ud ) se hallan de la siguiente forma:. ue = u1 * 2. (2.17). vd = (v2 * 2) − ve. (2.18). ud = (u2 * 2) − ue. (2.19). Teniendo estas velocidades calculadas y las dimensiones del rotor se pueden calcular los demás parámetros de la metodología debido a la dependencia que existe entre de ellos. 37.

(46) Capítulo 2 Metodología para el cálculo aerodinámico de rotores verticales. 2013. 2.7 Fuerzas aerodinámicas del rotor 2.7.1 Fuerzas aerodinámicas del alabe Sobre un alabe actúan las fuerzas de sustentación (Fl) y de arrastre (Fd), las cuales se calculan mediante las siguientes ecuaciones: Fl = ρ. W2 c ⋅ H ⋅ Cl 2. W2 Fd = ρ c ⋅ H ⋅ Cd 2. (2.20). (2.21). El número de Reynolds se puede calcular por la ecuación 2.22, mientras que el ángulo de ataque se calcula en la ecuación 2.35: Número de Reynolds. Re =. V *c. δ. (2.22). Donde: δ: La viscosidad del aire = 1,6 x 10-5 m/s2 V: Magnitud de la velocidad del flujo libre = 10 m/s c: cuerda del perfil del alabe = 0,312 m La velocidad relativa del alabe (W) se calcula mediante las ecuaciones siguientes. Para barlovento: − Wx = ω ⋅ R ⋅ cos( β ) + v1. (2.23). Wz = ω ⋅ R ⋅ sen ( β ) + u 1. (2.24). Para sotavento: − Wx = ω ⋅ R ⋅ cos( β ) + u 2. (2.25). 38.

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