Evaluación experimental del rendimiento de rotores eólicos de pequeña escala

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(1)IM – 2006 – I- 08. Evaluación experimental del rendimiento de rotores eólicos de pequeña escala. Sergio Nicolás Cuervo Carmona. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA 2006. 1.

(2) IM – 2006 – I- 08. Evaluación experimental del rendimiento de rotores eólicos de pequeña escala. Sergio Nicolás Cuervo Carmona. Proyecto de Grado para optar al Titulo de Ingeniero Mecánico Asesor: Alvaro Pinilla, Ph,D,, M, Sc,, Ingeniero Mecánico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA. 2006. 2.

(3) IM – 2006 – I- 08. Bogota, Junio de 2006. Doctor Luís Mario Mateus Sandoval Director del departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería La ciudad.. Apreciado Doctor, reciba un cordial saludo, Por medio de la presente pongo a su disposición el proyecto de grado “Evaluación experimental del rendimiento de un rotor eólico de pequeña escala” como requisito para optar al titulo de Ingeniero Mecánico de la Universidad de los Andes. El proyecto fue realizado bajo la asesoría del Doctor Álvaro Pinilla. Considero que el proyecto de grado propuesto cumple con los objetivos planteados y por ende tengo plena confianza que cumple los requisitos establecidos como proyecto de grado en Ingeniería Mecánica.. Cordialmente,. Nicolás Cuervo Carmona Cod. 200113120. 3.

(4) IM – 2006 – I- 08. Nota de Aceptación. Bogota. Junio de 2006. 4. Asesor.

(5) IM – 2006 – I- 08. Agradecimientos. Quisiera agradecer principalmente a mi asesor, el Doctor Alvaro Pinilla por siempre estar ahí en los momentos de duda y necesidad, y nunca negarme su ayuda. Quisiera agradecer igualmente a los demás profesores del departamento de Ingeniería Mecánica por su invaluable aporte en mi formación como ingeniero. A mi familia, a mis padres y a mis hermanos por ser la mejor fuente de apoyo que cualquiera puede tener.. 5.

(6) IM – 2006 – I- 08 Tabla de Contenido 1. Introducción ......................................................................................................9 2. Conceptos básicos de los rotores eólicos. ......................................................13 2.1 Limite de Betz. Umbral teórico de eficiencia. 13. 2.2 Coeficientes de rendimiento. 16. 3. Procedimiento experimental............................................................................20 3.1 Trabajo experimental Turbina Inicial ............................................................21 4. Resultados ......................................................................................................24 4.2 Resultados Turbina con Resina de Poliéster. ...............................................27 4.3 Resultados turbina con Resina de poliéster lijada. .......................................29 5. Análisis de Resultados....................................................................................31 6. Conceptos básicos en el diseño de rotores ....................................................37 7. Resultados turbina resultante. ........................................................................42 8. Análisis de datos del rotor resultante. .............................................................44 9. Conclusiones ..................................................................................................47 Anexos Bibliografía. 6.

(7) IM – 2006 – I- 08 Listado de Figuras Figura 1. Comparación gráfica de resultados. 11. Figura 2. Ejemplos de rotores horizontales.. 14. Figura 3. Velocidades a través del disco (rotor).. 15. Figura 4. Variación de la potencia extraida del viento a diferentes velocidades de viento.. 18. Figura 5. Comportamiento típico de las curvas de Torque vs. Vel. Angular y Coef. De Torque vs. Coef. de Velocidad.. 19. Figura 6. Comportamiento típico de la curva de eficiencia de una turbina. 20. Figura 7. Ilustración del montaje usado en la toma de datos.. 21. Figura 8. Montaje general. 22. Figura 9. Ilustración de la medición del torque.. 23. Figura 10. Ilustración del sistema de freno con tornillo.. 24. Figura 11. Ilustración de resultados turbina inicial a las dos velocidades de viento y las temperaturas especificadas.. 26. Figura 12. Ilustración de resultados turbina con resina de poliéster a las dos velocidades de viento, y las temperaturas especificadas.. 28. Figura 13. Ilustración de resultados turbina con resina de poliéster lijada las dos velocidades de viento y las temperaturas especificadas.. 30. Figura 14. Coeficientes de rendimiento turbina inicial. 32. Figura 15. Coeficientes de rendimiento turbina con resina de poliéster.. 33. Figura 16. Coeficientes de rendimiento turbina con resina de poliéster lijada.. 34. Figura 17. Ejemplo de resultados obtenidos en el instituto de Tokio.. 35. Figura 18. Definición del elemento de aspa en la posición r.. 38. Figura 19. Corte transversal del elemento de aspa.. 39. Figura 20. Diseño resultante en SolidEdge. 41. Figura 21. Fotografía del rotor resultante. 41. Figura 22. Ilustración de resultados turbina resultante a las dos velocidades de viento, y sus temperaturas respectivas.. 43. Figura 23. Coeficientes de rendimiento turbina resultante.. 45. 7.

(8) IM – 2006 – I- 08. Listado de Tablas. Tabla 1. Comparación resultados de eficiencia para cada velocidad de viento. 11 Tabla 2. Datos característicos para la toma de datos. 25. Tabla 3. Datos característicos para la toma de datos. 27. Tabla 4. Comparación del comportamiento Turbina inicial a diferentes estados de rugosidad.. 36. Tabla 5. Parámetros de diseño.. 37. Tabla 6. Comparación final de resultados, a las dos velocidades de viento.. 46. Tabla 7. Resultados Turbina inicial a las dos velocidades de viento.. 50. Tabla 8. Resultados Turbina con Resina a Vel. Viento de 3.55 m/s. 51. Tabla 9. Resultados Turbina con Resina a Vel. Viento de 5.08 m/s. 52. Tabla 10. Resultados Turbina con Resina lijada a Vel. Viento de 3.55 m/s. 53. Tabla 11. Resultados Turbina con Resina lijada a Vel. Viento de 5.08 m/s. 54. Tabla 12. Parámetros de diseño del nuevo rotor.. 55. Tabla 13. Resultados turbina resultante a Vel. Viento= 3,55 m/s. 56. Tabla 14. Resultados turbina resultante a Ve. Viento= 5,08 m/s. 57. 8.

(9) IM – 2006 – I- 08. 1. Introducción La importancia del aprovechamiento de la energía eólica data de tiempos atrás, donde la creación de molinos de viento fue el paso importante como punto de partida de tecnologías venideras cuyo fin es el aprovechamiento de la energía del viento en movimiento. Históricamente han sido los europeos quienes han puesto la pauta en la invención de lo que inicialmente eran considerados molinos de viento, igualmente los persas son pioneros en dicha tecnología con lo que inicialmente se conocieron como los “persian windmills” casi paralelamente a los holandeses con el “dutch windmill” y los españoles tanto con el molino Manchego (nombre con el que se connotaba a los molinos de la región de la mancha) y el molino andaluz que era característico por tener forma de sombrilla. En la actualidad las turbinas de viento que se caracterizan como de media escala (diámetros de 1000 mm) se usan principalmente como fuentes de energía independientes, y para su estudio y análisis se prueban a nivel educativo las turbinas de escala micro, ya que para escalas mayores, el diseño se mantiene constante y por ende cumplen con los mismos parámetros de maquinado y manufactura. Aun cuando varias de las turbinas catalogadas como de pequeña escala han demostrado tener características de rendimiento pobres frente a aquellas de mayor escala, el estudio de su comportamiento facilita su entendimiento y hace posible la optimización de su diseño en el estudio de rotores. El planteamiento anterior implica la gran frecuencia que se presenta en la actualidad en la metodología de diseño de rotores eólicos a partir de la caracterización de micro turbinas basadas en la base de la teoría fundamental del elemento de aspa.. 9.

(10) IM – 2006 – I- 08 Es importante tener en cuenta la gran ventaja que representa el viento como fuente energética cuya fuente es infinita y gratis, de la cual aproximadamente se ha encontrado que el 30% de la energía del viento en movimiento es efectivamente energía útil, mientras que un 41% corresponde al viento que sigue su movimiento y finalmente un 29% de la energía se disipa en turbulencia y en fricción. La finalidad de este proyecto de grado es experimentar sobre una micro turbina de 300mm de diámetro e ilustrar los resultados de su comportamiento. Dicha caracterización experimental consistió en obtener resultados de torque a diferentes velocidades angulares de giro para poder determinar posteriormente coeficientes que indican la eficiencia de la turbina. El proceso experimental se realizó a dos velocidades de viento en un túnel de viento de la Universidad de los Andes. La turbina se probó varias veces y en tres estados de rugosidad superficial, con el fin de determinar la mejor condición superficial para la cual las turbinas presentan mayor desempeño en las condiciones probadas. Inicialmente se probó en su condición inicial, la cual corresponde al material propio en el cual estaba hecha la turbina, que corresponde al polímero ABS. Posteriormente se aplicó una capa de resina cuya finalidad era hacer de la superficie algo aún más liso. Finalmente la resina aplicada se lijó para obtener un estado de mayor rugosidad. En resumen, los tres estados de rugosidad superficial en los cuales se experimentó la turbina son los siguientes. •. Turbina inicial (material ABS): Estado de mayor rugosidad. •. Turbina con resina: Estado de menor rugosidad.. •. Turbina con resina lijada: Estado de rugosidad intermedia.. Una vez obtenidos los resultados experimentales de la turbina inicial, se prosiguió a diseñar una nueva turbina con los factores de diseño resultantes de la turbina inicial (factores que se explicarán mas adelante). Dicho diseño fue. 10.

(11) IM – 2006 – I- 08 prototipeado en la máquina de prototipeado rápido de la Universidad de los Andes, y esta nueva turbina se probó experimentalmente al igual que la turbina inicial pero solo en el estado superficial que presentó mayor eficiencia para la turbina inicial, ya que se buscaba incrementar la eficiencia obtenida con la turbina inicial. Los resultados, cuyo proceso de obtención se explicará a lo largo del documento se ilustran en la tabla siguiente, la cual muestra resultados a dos velocidades de viento, tanto para la turbina inicial en sus tres estados de rugosidad, como para la turbina final. Coeficiente de Potencia Velocidad Viento=3,55m/s Velocidad Viento=5,08m/s 31% 27% Turbina inicial 12% 22% Turbina con Resina 14% 26% Turbina Resina Lijada 20% 32% Turbina Resultante Tabla 1. Comparación resultados de eficiencia para cada velocidad de viento. Situación. Comparación de Eficiencias. Coeficiente de Potencia 1. 35%. 32% 27%. 30%. 26%. 31% 22%. 25% 20% 15%. 20%. 10%. 14%. 12%. 5% 0%. r Tu. n ic aI bin. ial r Tu. aR bin. in es. a. na r bi Tu. a s in Re. a ad Lij. Velocidad Viento 3,55m/s. na rbi Tu. nte l ta su e R. Velocidad Viento 5,08m/s. Figura 1. Comparación gráfica de resultados. 11.

(12) IM – 2006 – I- 08 Como se explicará mas adelante, el Coeficiente de Potencia es el mejor indicativo de la eficiencia de las turbinas. Puesto que se puede observar que el estado superficial que presentó mayor desempeño corresponde al estado inicial (turbina en su material propio, ABS). La turbina resultante se probó igualmente en dicho estado. La razón por la cual el estado que corresponde al de mayor rugosidad es el que muestra mayores niveles de eficiencia, es que para bajos números de Reynolds, como es el caso del experimento realizado, los perfiles mas rugosos presentan mayores niveles de desempeño, lo cual, como se vera mas adelante, se comprobó a lo largo del experimento.. 12.

(13) IM – 2006 – I- 08. 2. Conceptos básicos de los rotores eólicos. 2.1 Limite de Betz. Umbral teórico de eficiencia Teniendo en cuenta que los rotores eólicos se dividen tanto en horizontales como en verticales1, según la forma como se transmite el movimiento a consecuencia del aprovechamiento de la energía del viento, los rotores probados en el presente proyecto de grado son de forma horizontal, y se trabajaron rotores cuya denotación corresponde a rotores de solidez baja, los cuales se caracterizan por tener pocas aspas y por ende girar a mayores velocidades. La figura a continuación ilustra ejemplos de rotores horizontales con diferentes números de aspas. 1. Pinilla, Álvaro (2004). Conceptos básicos en el diseño de rotores eólicos. En Universidad de los Andes. Notas de Energía Eólica (pp. 29-33). Bogota: Universidad de los Andes.. 13.

(14) IM – 2006 – I- 08. Figura 2. Ejemplos de rotores horizontales.2. En el caso específico de los rotores tratados, son rotores de 3 aspas (tripala) los cuales representan la cantidad idónea en el proceso de generación de energía eléctrica a partir del recurso eólico, ya que son los de tres aspas los que permiten una disminución óptima en las fuerzas giroscópicas. Por diferencia vectorial en el triangulo de velocidades resultante en el disco del rotor, el viento presenta dos estados de velocidad, la velocidad no perturbada V1 y la velocidad posterior al rotor (velocidad aguas abajo) V2. Teniendo en cuenta que para el caso de la figura ilustrada, el disco actuador representa la vista lateral del rotor. 2. Ideam. (pp. 28). 14.

(15) IM – 2006 – I- 08. Figura 3. Velocidades a través del disco (rotor).3. De donde se obtiene:. V rotor =. V1 + V 2 2. Resultante de dicha ecuación, y como consecuencia de derivar respecto a la velocidad la extracción de potencia en el rotor, se obtiene la potencia máxima que se puede extraer del viento por parte del rotor.. P=. El factor. 16 ⎛ 1 3 ⎞ ⎜ ρV1 A ⎟ 27 ⎝ 2 ⎠. 16 representa el 59.3% de limite de extracción de potencia del viento 27. (Limite de Betz) el cual combinado con la teoría de Glauret establecen el máximo de potencia para rotores reales de flujo abierto de área A y densidad del flujo ρ .. 3. Ideam. (pp. 30). 15.

(16) IM – 2006 – I- 08 2.2 Coeficientes de rendimiento Teniendo en cuenta que el rotor consiste básicamente de un elemento que adquiere velocidad de giro con la influencia del viento, este tiene una velocidad angular que depende del número de aspas del rotor, y el perfil mediante el cual cada una de estas aspas interactúa con el viento influyente, se obtiene así el coeficiente de velocidad de la turbina (λ ) el cual es un indicativo de cuantas veces más rápido gira el rotor en la punta respecto a la velocidad del viento no perturbada. Igualmente al girar el rotor, se puede frenar un poco su inercia de giro, consiguiendo así que la turbina proporcione un torque como consecuencia de la fuerza producida por su giro, y la aplicación de una disminución en dicha velocidad; de esta forma se obtiene así para la turbina el coeficiente de torque. (C T ) . ΩR V. Coeficiente de Velocidad:. λ=. Coeficiente de Torque:. CT =. T 1 ρV 2 AR 2. Donde: Velocidad de giro del rotor:. Ω. Radio del rotor:. R. Velocidad del viento (No perturbada). V. Área del rotor. A. Densidad del flujo (Viento). ρ. Cabe mencionar que en este punto, el determinar alguno de los dos anteriores coeficientes evaluativos para turbinas, no implica que un valor mas alto que otro sea precisamente que dicha turbina sea mas eficiente que la otra, estos coeficientes sirven para agrupar las turbinas en familias según su objetivo final,. 16.

(17) IM – 2006 – I- 08 para poder así comparar el comportamiento de la turbinas entre si según su finalidad, por ejemplo las turbinas de alta velocidad de giro, son por lo general aquellas que tienen menor numero de aspas y tienen una velocidad especifica de giro mas alta que aquellas cuyo rotor presenta un mayor numero de aspas y tienen menor velocidad de giro, pero por el contrario presentan mayores coeficientes de torque, razón por la cual son turbinas que tienden a ser usadas en aplicaciones que requieren mayor torque como el bombeo. Las de menor número de aspas y mayor velocidad característica de giro suelen ser usadas en aplicaciones de generación de energía eléctrica. Finalmente, y guardando coherencia con la formulación física, al multiplicar el torque, y la velocidad angular se obtiene la potencia entregada por el motor, razón por la cual tenemos también el coeficiente de potencia de las turbinas. (C P ). Dicho coeficiente es el mejor indicativo de la eficiencia comportamental. del rotor y corresponde a las eficiencias resultantes ilustradas en la Tabla 1, dicha eficiencia es la que se encuentra restringida por el limite de Betz de 59.3% C P = λ CT CP =. P. 1 ρV 3 A 2. En general, entre mas alta sea la velocidad del viento influyente, se obtiene una mayor extracción de potencia del viento, y las velociades angulares con las que gira la turbina se incrementan igualmente, tal y como se ilustra a continuación.. 17.

(18) IM – 2006 – I- 08. Figura 4. Variación de la potencia extraida del viento a diferentes velocidades de viento.4. Un aspecto de gran influencia en el desempeño aerodinámico de los rotores es la rugosidad superficial ya que esta es la que dicta la interacción de la superficie del aspa con el fluido en movimiento, razón por la cual la viscosidad del fluido juega un papel importante y se adimensiona a través del numero de Reynolds. Re =. CV. υ. Donde C corresponde a la cuerda del aspa del rotor, y se explicara más adelante. Para las condiciones en las que se trabajan y se prueban las turbinas de pequeña escala, los Reynolds característicos suelen ser del orden de 100.000, razón por la cual es de esperarse que los diseños a realizar estén en este rango característico. Una vez se prueban las turbinas, lo que consiste básicamente en medir datos de torque a diferentes velocidades de giro, tanto la velocidad angular como el torque permiten la obtención de los coeficientes de rendimiento para la velocidad. 4. Osorio, Emmanuel (2004), Análisis de acople de un rotor eólico a un generador de imanes permanentes para un prototipo preindustrial de aerogenerador de 300W. (pp. 9). Tesis de grado, Universidad de los Andes. Bogota, Colombia. 18.

(19) IM – 2006 – I- 08 Y para el torque respectivamente, y la multiplicación de estos permite obtener el coeficiente de potencia el cual es el mejor indicativo de la eficiencia de las turbinas. La obtención de datos para el rendimiento de los rotores se representa en gráficas de torque vs. Velocidad angular, de las cuales se deducen gráficas de Coeficiente de Torque vs. Coeficiente de Velocidad, de las finalmente se obtienen gráficas de Coeficiente de Potencia (eficiencia) vs. Coeficiente de Velocidad, ejemplos de comportamientos característicos de estas gráficas se ilustran a continuación.. Figura 5. Comportamiento típico de las curvas de Torque vs. Vel. Angular y Coef. De Torque vs. Coef. de Velocidad.. Donde To corresponde al torque de arranque y CTo al coeficiente de torque de arranque, la razón por la cual las curvas presentan el mismo comportamiento es que hallar los respectivos coeficientes no es más que la multiplicación de las variables (velocidad angular y torque) con constantes, como se observa en la formulación anteriormente mostrada. Finalmente, y tal y como se planteó anteriormente, al multiplicar entre si los coeficientes de torque y velocidad se obtiene el coeficiente de potencia, el cual se tiende a graficar de la siguiente manera con el fin de obtener la curva de eficiencia de una turbina. La gráfica a continuación es un ejemplo con valores reales para este tipo de rotores.. 19.

(20) IM – 2006 – I- 08. Figura 6. Comportamiento típico de la curva de eficiencia de una turbina5. Lo importante al observar la anterior grafica, es tener en cuenta que proporciona información fundamental, si por ejemplo ésta fuese la gráfica de la turbina probada inicialmente, la nueva turbina se debe diseñar teniendo en cuenta. λd. como el coeficiente de velocidad de diseño, puesto que es el proporciona la mayor eficiencia (Cp max). 3. Procedimiento experimental. Puesto que ya se mencionó que el proceso de caracterización de una turbina de escala micro, consiste en hallar valores de torque, a diferentes velocidades de giro, basándose en el montaje ilustrado (figura 7), se obtuvieron los datos correspondientes a diferentes velocidades de giro. Cabe recordar que la turbina inicial se probó en tres diferentes estados de rugosidad con el fin de obtener aquel estado que para las condiciones probadas proporcionara la mayor eficiencia.. 5. Ideam (pp 9).. 20.

(21) IM – 2006 – I- 08 Una vez probado el rotor inicial, se establecen a partir del mismo nuevos parámetros de diseño resultantes de su comportamiento característico, tomando dichos parámetros se prosiguió al diseño de un nuevo rotor a pequeña escala el cual se probó en el estado superficial que resulto ser el óptimo de las pruebas de la turbina inicial. La prueba para cada uno de los rotores que se explicara mas adelante detalladamente, consistió en hallar valores de torque a diferentes velocidades de giro para poder determinar los factores que establecen el nivel de eficiencia de un rotor, basándose en el diagrama explicativo del montaje que se ilustra a continuación.. Figura 7. Ilustración del montaje usado en la toma de datos.. 3.1 Trabajo experimental Turbina Inicial Tal y como se mostró inicialmente en la finalidad del trabajo, se trabajo una turbina en diferentes estados de característica superficial, para determinar la condición optima de rugosidad, ya que la teoría indica que para bajos números de Reynolds (como era el caso del túnel de viento con el cual se trabajo, y los rotores probados) se obtiene mayor desempeño con superficies rugosas.. 21.

(22) IM – 2006 – I- 08 Trabajando inicialmente con la turbina ilustrada en los anexos, se realizo la toma de datos de acuerdo al montaje ilustrado. Paralelamente se iba realizando la toma de datos para la turbina (medición de velocidad de giro y torque) se midió la velocidad del túnel de viento experimental con el cual se estaba trabajando, una ilustración de dicho montaje total se ilustra a continuación.. Figura 8. Montaje general. Como se puede observar en la figura 8, se realizaba una toma de datos simultáneamente tanto para la turbina como para el túnel de viento con el fin de caracterizar su comportamiento, la medición de velocidad del flujo se realizo con el tubo pitot el cual se observa previo a la turbina, hacia el fondo de la misma se observa una balanza con la cual se midió el torque a medida que un brazo se iba frenando mediante un sistema de freno (figura 9) poco a poco para obtener así distintas velocidades de giro. Finalmente dicha velocidad de giro se midió con el Estroboscopio.. 22.

(23) IM – 2006 – I- 08. Figura 9. Ilustración de la medición del torque.. La figura 9 presenta un mejor esquema de como se llevó a cabo la medición del torque, al frenar con el tornillo (ver figura 10) el brazo que sujeta el eje horizontal de la turbina, se obtienen diferentes velocidades de giro, cada uno con su respectivo torque medido. El torque se midió en la balanza ilustrada la cual arrojaba un dato de masa, que al multiplicar por la gravedad daba el dato de fuerza, que junto al brazo ilustrado proporcionaban finalmente el dato del torque. F=mg T=F x Brazo. 23.

(24) IM – 2006 – I- 08. Figura 10. Ilustración del sistema de freno con tornillo.. La balanza usada (marca Ohauls de precisión) tenía una precisión de centésima de gramo.. 4. Resultados 4.1 Resultados Turbina Inicial El primer estado superficial de turbina que se probó, fue sin aplicar ningún cambio que implicara diferencias en la rugosidad a trabajar, razón por la cual los resultados mostrados a continuación corresponden a la turbina en su material. 24.

(25) IM – 2006 – I- 08 inicial (ABS) material resultante de la maquina de prototipeado con la cual se trabaja en la Universidad. La tabla mostrada a continuación muestra los datos característicos del sistema en general, para la obtención de resultados. Finalmente cabe recordar que para cada uno de los estados experimentados se tomaron datos a dos velocidades de viento, y la densidad de cada uno de los datos fue ajustada por la temperatura del momento de la medición de los datos mediante la formulación de gases ideales.. ρ=. P RT. Donde P corresponde a la presión del aire, en cuyo caso la presión barométrica medida en el laboratorio es de 150 psi y R es la constante universal de los gases de. 0.286. KJ . T es la temperatura medida al momento de la toma de Kg 0 K. datos. Teniendo en cuenta las cambiantes condiciones del aire a nivel de Bogota, la densidad en general para la altura a la cual se llevaron a cabo los experimentos fue de 0.86 Kg/m3 147,5 Brazo (mm) 150 Radio Aspa (mm) 9,81 Gravedad (m/s^2) Tabla 2. Datos característicos para la toma de datos. Finalmente se obtuvieron las graficas que se muestran, resultantes de los datos tomados ilustrados en los anexos, el comportamiento de las graficas que comparan los coeficientes que determinan le eficiencia de las turbinas fue el esperado.. 25.

(26) IM – 2006 – I- 08. Torque vs. Vel. Angular 0,0045 0,004. Torque (Nm). 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 2000. 2500. RPM Vel. Viento=3,55m/s a 18,6 C. Torque vs. Vel. Angular 0,009 0,008. Torque (Nm). 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0 0. 500. 1000. 1500 RPM. Vel. Vient=5,08 m/s a 18,6 C. Figura 11. Ilustración de resultados turbina inicial a las dos velocidades de viento y las temperaturas especificadas.. 26.

(27) IM – 2006 – I- 08. 4.2 Resultados Turbina con Resina de Poliéster. Continuando con el proceso de encontrar la situación optima de rugosidad de las aspas, se aplicó una capa de resina de poliéster de ecopre, la cual al ser mezclada con una proporción de 10% de Meck Peroxido (catalizador que hace que la resina se seque) proporciona una capa homogénea la cual hace de la superficie un material liso. A diferencia de los resultados anteriores, a partir de este punto la toma de datos experimental se llevo a cabo varias veces, con el fin de determinar hasta cierto grado la repetibilidad del experimento y establecer un nivel de confianza en el mismo. Igualmente, y tal y como se enuncio anteriormente, se tomaron datos a dos velocidades de viento, y por cada toma de datos se estableció la condición de temperatura ambiental con el fin de poder ajustar cada dato correspondiente al coeficiente de torque (que depende de la densidad del aire) y por ende el de potencia y obtener así un dato más preciso de eficiencia de la turbina. En este punto igualmente se cambiaron un poco las condiciones de freno, ya que éste se hizo mas largo (ver tabla 3) con el fin de que no representara un obstáculo en el flujo del viento aguas abajo. 250 Brazo (mm) 150 Radio Aspa (mm) 9,81 Gravedad (m/s^2) Tabla 3. Datos característicos para la toma de datos. 27.

(28) IM – 2006 – I- 08. Figura 12. Ilustración de resultados turbina con resina de poliéster a las dos velocidades de viento, y las temperaturas especificadas.. 28.

(29) IM – 2006 – I- 08. 4.3 Resultados turbina con Resina de poliéster lijada. Como ultimo paso a seguir en el trabajo experimental de la turbina ilustrada en la figura 8, la resina con la cual se había puesto en una condición lisa la superficie de la aspas, fue lijada con lijas de granos grueso con el fin de volver a una situación rugosa en la superficie del rotor (condición de rugosidad intermedia) Una vez mas la toma de datos se llevo a cabo para dos condiciones de velocidad del viento, las cuales se mantuvieron constantes a lo largo del proceso con el fin de poder realizar un posterior proceso comparativo de los resultados obtenidos. Las condiciones de características del sistema para la prueba se mantuvieron constantes, enunciadas en la tabla 5.. 29.

(30) IM – 2006 – I- 08. Figura 13. Ilustración de resultados turbina con resina de poliéster lijada las dos velocidades de viento y las temperaturas especificadas.. 30.

(31) IM – 2006 – I- 08. 5. Análisis de Resultados La primera consideración a tener en cuenta al ver los resultados obtenidos en los numerales 4.1 a 4.3 son las curvas punteadas en las graficas resultantes, la razón por la cual se hacen dichas curvas es que ellas representan el patrón de la curva característica de torque contra velocidad angular en las turbinas, pero para pequeñas velocidades de giro, la obtención de datos se hace imposible ya que es una zona en la cual el viento aun no entrega fuerza suficiente para producir un determinado torque a la correspondiente velocidad de giro. Independientemente de lo anterior, el torque de arranque si puede ser medido, dato correspondiente al torque necesario para poner en movimiento el rotor, razón por la cual corresponde al de la velocidad angular cero. A continuación se muestran las figuras obtenidas de los coeficientes evaluativos del desempeño del rotor probado, al igual como se mostró en las figuras anteriores en cuanto a la línea de tendencia del comportamiento de las curvas, sobre estas curvas se pueden observar igualmente líneas punteadas que muestran la tendencia de la parte en la cual la obtención de datos es imposible.. 31.

(32) IM – 2006 – I- 08. Velocidad del Viento=3,08m/s. Velocidad del viento=5,08m/s. Figura 14. Coeficientes de rendimiento turbina inicial. 32.

(33) IM – 2006 – I- 08. Velocidad del Viento=3,55m/s. Velocidad del Viento=5,08m/s. Figura 15. Coeficientes de rendimiento turbina con resina de poliéster.. 33.

(34) IM – 2006 – I- 08. Velocidad del Viento=3,55m/s. Velocidad del Viento=5,08m/s. Figura 16. Coeficientes de rendimiento turbina con resina de poliéster lijada.. 34.

(35) IM – 2006 – I- 08 Las figuras mostradas a continuación ilustran ejemplos de resultados obtenidos en el instituto de Tokio6, realizados sobre turbinas de 1000mm de diámetro, y cuya medición de datos se realizo con un montaje mucho mas sofisticado (ver anexos) lo importante es ver el hecho de que a partir de cierto punto el aire no entrega energía suficiente para tomar datos.. Figura 17. Ejemplo de resultados obtenidos en el instituto de Tokio.. 6. Tomado de: Experimental determination of optimum design configuration for micro wind turbines, Ideki Tukoyama, Isumi Ushiyama, Kasuichi Seki, 2002,. 35.

(36) IM – 2006 – I- 08 En la figura se puede observar que los datos fueron obtenidos a diferentes velocidades de viento, y entre más altas sean estas, se obtienen mayores niveles de eficiencia, lo que ocurre también para la turbina probada Teniendo finalmente los resultados obtenidos, se establecen los parámetros de diseño según datos finales, dichos parámetros finales, a partir de los cuales se puede proseguir al diseño de un nuevo rotor se ilustran en la tabla a continuación. Principalmente se trata del coeficiente de velocidad de diseño (velocidad específica) el cual coincide con el rendimiento óptimo que se obtuvo del rotor mediante el coeficiente de potencia (valor de mayor eficiencia, ver figura 6) En cuanto al fluido tratado (aire) y como se había enunciado antes, su interacción con la situación superficial se estudia mediante el Reynolds establecido por la viscosidad del fluido. Coef. de Potencia óptimo Coef. de Velocidad de Diseño Reynolds Característico Situación 3,55 m/s 5,08 m/s 3,55 m/s 5,08 m/s 3,55 m/s 5,08 m/s 31% 27% 6 5,5 35500 50800 Turbina inicial Turbina con 12% 22% 7 7,5 35500 50800 Resina 14% 26% 7 7 35500 50800 Resina lijada Tabla 4. Comparación del comportamiento Turbina inicial a diferentes estados de rugosidad.. Deducido de la tabla anterior, podemos ver que el rotor a crear debe tener como parámetros de diseño los siguientes:. •. Coef. Velocidad de diseño:. 7. •. Reynolds:. 50.000. 36.

(37) IM – 2006 – I- 08 6. Conceptos básicos en el diseño de rotores Usando los parámetros establecidos anteriormente, el siguiente paso consiste en encontrar según la bibliografía existente un perfil que se pueda usar como el perfil de aspa para el nuevo rotor, según la condición de reynolds encontrada, y la finalidad del lo que seria el objetivo del rotor, en cuyo caso es aerogeneración eléctrica. La figura que se muestra en los anexos muestra la distribución del perfil S834 el cual fue el escogido para la turbina a diseñar ya que es apto para bajos números de Reynolds, y aplicaciones en las que se requiere que la turbina gire a alta velocidad, como es el caso trabajado Así que l perfil seleccionado es óptimo para bajos números de Reynolds, y para la aplicación requerida. La tabla a continuación resume los parámetros escogidos de diseño Para el perfil alar S384 λ (Diseno) 7 R(cm) 15 α(Optimo)° 5 B 3 Reynolds 200000 Cl 0,76 Cd 0,01 E=Cl/Cd (opt) 56 Tabla 5. Parámetros de diseño.. La tabla anterior que muestra la información encontrada para el perfil seleccionado ilustra una ángulo de diseño α de 5 grados (ver figura 21), especifica que se va a trabajar un rotor de tres aspas (B) y para un Reynolds de 200.000, el cual no es tan bajo como el encontrado, pero si el mas bajo para los perfiles encontrados para bajo número de Reynolds, finalmente para la situación del ángulo de ataque encontrado, los coeficientes de sustentación y de arrastre Cl y Cd respectivamente, así como su relación E.. 37.

(38) IM – 2006 – I- 08 Con la información presentada hasta ahora, y el adecuado planteamiento de las ecuaciones de diseño7 se puede proseguir al diseño final del rotor de la micro turbina deseada, teniendo en cuenta que desde la raíz hasta la punta del aspa, el perfil S834 escogido va cambiando tanto en longitud de cuerda, como el ángulo de calaje β , por cada punto del radio r desde la raíz hasta la punta a 150mm se deben encontrar los respectivos valores. La figura a continuación ilustra el rotor de radio R, y el elemento de aspa en la posición r.. Figura 18. Definición del elemento de aspa en la posición r.. La figura a continuación ilustra un corte transversal del elemento de aspa en la posición r, y las fuerzas que actúan sobre el mismo según el viento influyente.. 7. Pinilla, Álvaro (2004). Principio de diseño de rotores eólicos. En Universidad de los Andes. Notas de Energía Eólica (pp. 35-42). Bogota: Universidad de los Andes. 38.

(39) IM – 2006 – I- 08. Figura 19. Corte transversal del elemento de aspa8.. Existe un factor de disminución para la velocidad axial con la que influye el viento (a) y un factor tangencial para la velocidad rotativa del rotor (a’). El siguiente sistema de ecuaciones se debe solucionar para varios puntos a lo largo del aspa desde la raíz hasta la punta9.. (. ). 2 Ea 2 + (λ r − 3E )a − 2eλ r a' 2 − λ r + Eλ r a'+ E − λ r = 0 2. (. 2. ). Ea 2 + (λ r − E )a + Eλ r a' 2 + λ r + Eλ r a' = 0 2. Donde. λr = λ. 2. r siendo λ el encontrado para el diseño, y r cada punto R. trabajado hasta R=150mm Una vez estén determinados los factores a y a’, se determinan tanto el ángulo de calaje como la longitud de la cuerda para el perfil en el punto sobre el aspa, teniendo en cuenta un factor de pérdida por fricción dictado por:. 8 9. Ideam (pp. 36) Ideam (pp. 41). 39.

(40) IM – 2006 – I- 08. F=. 2. π. 1−. cos −1 (e − f ). Donde:. f =. r R. B 2 r senϕ R. Usando el factor de pérdida por fricción, se determina la longitud de cuerda óptima mediante la siguiente formulación.. C L − Optimo. B c(r ) 4aF (1 − aF ) sen 2 ϕ 1 = 2πr cos ϕ ⎡ Cd (1 − a ) 2 ⎤ + 1 tan ϕ ⎢ Cl ⎥ ⎣ ⎦. Y finalmente el ángulo de calaje para cada disposición del perfil a lo largo del aspa se determina por. ⎡1− a 1 ⎣1 + a ' λ r. β (r ) = tan −1 ⎢. ⎤ ⎥ − α Otimo ⎦. Cabe recordar que el alfa óptimo encontrado para el perfil con su Reynolds característico es de 5 grados. Finalmente se obtiene una tabla que muestra por cada punto r sobre el aspa desde la raíz hasta el extremo, con la longitud de cuerda resultante para dicho punto, y su ángulo de calaje medido desde el punto (0,0) de la grafica de distribución del perfil. Dicha tabla se encuentra en los anexos.. 40.

(41) IM – 2006 – I- 08 A continuación se ilustran tanto el diseño resultante en solid del nuevo rotor, como una fotografía del mismo una vez prototipeado en la maquina de prototipazo rápido de la Universidad.. Figura 20. Diseño resultante en SolidEdge. Figura 21. Fotografía del rotor resultante. 41.

(42) IM – 2006 – I- 08. 7. Resultados turbina resultante. Continuando con el mismo principio mostrado en la figura 9, y con los mismos parámetros característicos de medición de la tabla 4, se realizaron las pruebas sobre el rotor resultante del numeral anterior, con el fin de determinar su desempeño y por ende su eficiencia. Es importante tener en cuenta que puesto que el estado superficial que mostró mayor eficiencia es el correspondiente al material propio resultante con el que trabaja la máquina de prototipado (ABS) el rotor resultante se probó en este estado superficial sin aplicar sobre el ningún cambio en la rugosidad. Los resultados de la caracterización del comportamiento de este nuevo rotor se encuentran tabulados en los anexos, y las graficas resultantes se ilustran a continuación. Igualmente se tomaron datos a las mismas dos velocidades de viento para poder una vez comparar con los resultados obtenidos en el numeral 4.. 42.

(43) IM – 2006 – I- 08. Figura 22. Ilustración de resultados turbina resultante a las dos velocidades de viento, y sus temperaturas respectivas.. 43.

(44) IM – 2006 – I- 08. 8. Análisis de datos del rotor resultante. Continuando con el proceso que se ha llevado a cabo, en este punto se tienen las herramientas suficientes para determinar los coeficientes de desempeño del rotor resultando los cuales brindaran un indicativo de la eficiencia de este nuevo rotor, y poder comparar así las turbinas entre si. Una vez más se evidencia una región a bajas velocidades de giro de la turbina en las cuales los torque a vencer por el viento son tan altos que este no entrega la energía requerida para vencerlos, y los datos en dicha región no se pueden obtener. Para la nueva turbina es claro que tiene un diseño para girar a velocidades de giro mayores, razón por la cual se puede observar en los datos que para torque similares, el nuevo rotor presenta mas altas velocidades de giro, lo que desplaza en general las curvas un poco hacia la derecha (figuras a continuación) y por ende se puede evidenciar que es en este punto donde el nuevo rotor puede llegar a ofrecer un poco mas de rendimiento. La figura a continuación muestra finalmente los coeficientes de rendimiento obtenidos para la nueva turbina.. 44.

(45) IM – 2006 – I- 08. Velocidad del Viento=3,55m/s. Velocidad del Viento=5,08m/s. Figura 23. Coeficientes de rendimiento turbina resultante.. 45.

(46) IM – 2006 – I- 08 La tabla que a continuación se presenta tiene como objetivo complementar la tabla 4 para poder comparar los estados de rendimiento tanto de la turbina inicial con sus diferentes estados de rugosidad en la superficie, como la turbina final, para la cual se sabe que el mejor estado superficial es el del material propio resultante de la maquina de prototipeado. Es importante tener en cuenta que el hecho de que la mejor rugosidad para el desempeño de la turbina la de el ABS como tal, procesos posteriores para hacer aun mas rugosa la superficie se pueden llevar a cabo con el fin de obtener superficies aun mas aptas para probar los rotores a tan bajos números de Reynolds.. Situación Turbina Inicial Turbina con Resina Resina lijada Turbina Resultante. Coef. de Potencia óptimo 3,55 m/s 5,08 m/s 31% 27% 12% 14%. Coef. de Velocidad de Diseño 3,55 m/s 5,08 m/s 6 5,5. 22% 26%. 7 7. 7,5 7. Reynolds Característico 3,55 m/s 5,08 m/s 35500 50800 35500 35500. 50800 50800. 20% 32% 7 8 32800 Tabla 6. Comparación final de resultados, a las dos velocidades de viento.. 49600. La diferencia en el Reynolds característico para la turbina final se da porque al ser un diseño diferente, tiene un perfil diferente y por ende un tamaño de cuerda diferente, el cual, basándose en formulación ilustrada en el numeral 3, influye en Reynolds con el que se debe trabajar.. 46.

(47) IM – 2006 – I- 08 9. Conclusiones Luego de realizar un detallado proceso experimental, se han establecido niveles de eficiencia para diferentes micro turbinas, estableciendo igualmente la mejor condición superficial en terminas de rugosidad. Las situaciones de mayor desempeño se presentan en las mayores velocidades de viento, guardando coherencia con la teoría, y con los resultados obtenidos en el instituto de tecnología de Tokio. Se ha comprobado que para bajos números de Reynolds, los perfiles que presentan mayores niveles de eficiencia son aquellos que tienen altas rugosidades a lo largo de su superficie, razón por la cual de trabajar con micro turbinas en el proceso experimental llevado a cabo, dicha condición ya es proporcionada por el material intrínseco de la maquina de prototipeado, sin embargo se pueden realizar procesos posteriores que busque aumentar la rugosidad del material y no disminuirla, como fue el caso de la resina de poliéster previa a ser lijada. De escalar el diseño de la micro turbina resultante, se deben mantener sus parámetros de cuerda con el fin de esperar rendimientos similares, teniendo en cuenta que se trata de un diseño para altas velocidades de giro. Para la turbina resultante se observa la repetibilidad del experimento, lo que induce un buen nivel de confiabilidad en la prueba, ya que los datos resultantes se comportan en general de forma muy similar, independientemente de la temperatura, para la cual, se observa que no afecta prioritariamente los resultados.. 47.

(48) IM – 2006 – I- 08 Anexos.. Turbina inicial (300mm Diámetro). Estroboscopio usado para la medición de velocidad de giro. 48.

(49) IM – 2006 – I- 08. Montaje experimental usado en el instituto de Tokio S834 Upper. Coger. x/c 0 0,00031. y/c 0,00009 0,00185. x/c 0,00025 0,00063. y/c -0,00167 -0,00286. 0,00104 0,00139 0,00812 0,01966 0,03587 0,05652. 0,00375 0,00447 0,01297 0,022 0,03119 0,04019. 0,00092 0,0061 0,01637 0,03135 0,05077 0,07463. -0,00356 -0,011 -0,01945 -0,02779 -0,03562 -0,04274. 0,08148. 0,04879. 0,10266. -0,04895. 0,1105. 0,05682. 0,13476. -0,05414. 0,14337. 0,06413. 0,1706. -0,05824. 0,17974. 0,07061. 0,20996. -0,06119. 0,2193. 0,0762. 0,25241. -0,063. 0,2616. 0,0808. 0,29766. -0,06367. 0,30625 0,35274. 0,08437 0,08686. 0,34519 0,39461. -0,06325 -0,06181. 0,40059. 0,0882. 0,44534. -0,05943. 0,44927. 0,08834. 0,49692. -0,05621. 0,49829. 0,08714. 0,54874. -0,05227. 0,54733. 0,08453. 0,60025. -0,0477. 0,59606. 0,08071. 0,65083. -0,04259. 0,64386. 0,07578. 0,69997. -0,03702. 0,69034 0,73517. 0,06973 0,06273. 0,74713 0,79183. -0,03111 -0,02494. 0,77797. 0,05503. 0,83359. -0,01867. 0,81829 0,85565 0,8895 0,91941 0,94548. 0,04693 0,0387 0,03056 0,02247 0,01465. 0,87225 0,90787 0,93921 0,96502 0,98421. -0,01217 -0,00651 -0,00253 -0,00033 0,00039. 0,96754 0,98482. 0,00791 0,0031. 0,99602 1. 0,00024 0. 0,99606 1. 0,00061 0. Distribución del perfil S834 según longitud de cuerda. 49.

(50) IM – 2006 – I- 08. S834 0,1 0,05 Up. 0 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. 1. 1,2. Low. -0,05 -0,1. ilustración de la distribución del perfil S834 según tamaño de cuerda. Velocidad de Viento=3,55 m/s a 18,6 C Masa (g). Torque x 10^-4 (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0,00. 0. 1986. 8,78. 0,00. 0%. 0,88. 12,7. 1820. 8,05. 0,02. 17%. 1,21. 17,5. 1680. 7,43. 0,03. 22%. 1,55. 22,5. 1530. 6,77. 0,04. 25%. 2,29. 33,1. 1252. 5,54. 0,06. 30%. 2,84. 41,1. 670. 2,96. 0,07. 21%. 2,89. 41,8. 0. 0,00. 0,07. 0%. Velocidad de Viento =5,08 m/s a 18,6 C Masa (g). Torquex 10^-4 (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2064. 6,38. 0,00. 0%. 3,38. 48,9. 1768. 5,46. 0,04. 22%. 3,83. 55,4. 1712. 5,29. 0,05. 24%. 4,2. 60,8. 1682. 5,20. 0,05. 26%. 4,55. 65,8. 1550. 4,79. 0,05. 26%. 5,16. 74,7. 980. 3,03. 0,06. 18%. 81,6. 0. 0,00. 0,07. 0%. 5,64. Tabla 7. Resultados Turbina inicial a las dos velocidades de viento.. 50.

(51) IM – 2006 – I- 08 Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 18,3ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2264. 10,01. 0. 0%. 0,14. 3,43. 2260. 9,99. 0,006. 5,9%. 0,27. 6,62. 2078. 9,19. 0,012. 10,5%. 0,33. 8,09. 1808. 7,99. 0,014. 11,2%. 0,49. 12,01. 1159. 5,12. 0,021. 10,7%. 0,58. 14,22. 0. 0,00. 0,025. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 17,3 ªC Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. 0. 0. 2264. 10,01. 0,000. 0%. 0,16. 3,92. 2180. 9,64. 0,007. 6,5%. 0,24. 5,8. 2080. 9,19. 0,010. 9,4%. 0,4. 9,81. 1380. 6,10. 0,017. 10,4%. 0,55. 13,48. 0. 0,00. 0,023. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Velocidad de Viento 3,55 m/s a 16,7ªC Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2235. 9,88. 0,000. 0%. 0,11. 2,69. 1980. 8,75. 0,005. 4,1%. 0,23. 5,64. 1972. 8,72. 0,010. 8,5%. 0,48. 11,77. 1426. 6,30. 0,020. 12,9%. 0,51. 12,5. 720. 3,18. 0,022. 6,9%. 0,55. 13,48. 0. 0,00. 0,023. 0%. Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 3,55 m/s a 19,1ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). 0. 0. 2262. 10,004. 0,000. 0%. 0,17. 4,16. 2218. 9,809. 0,007. 7,1%. 0,3. 7,35. 2048. 9,057. 0,013. 11,6%. 0,42. 10,30. 1388. 6,138. 0,018. 11,0%. 0,43. 10,54. 852. 3,768. 0,018. 6,9%. 0,62. 15,20. 0. 0. 0,026. 0. Tabla 8. Resultados Turbina con Resina a Vel. Viento de 3.55 m/s. 51.

(52) IM – 2006 – I- 08 Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 18,3 ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2270. 10,039. 0,000. 0%. 0,33. 8,09. 2046. 9,049. 0,014. 12,7%. 0,42. 10,3. 2044. 9,040. 0,018. 16,2%. 0,68. 16,67. 1954. 8,642. 0,029. 25,0%. 0,99. 24,27. 468,7. 2,073. 0,042. 8,7%. 1,04. 25,50. 0. 0,000. 0,044. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 17,3 ªC Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. 0. 0. 2268. 10,030. 0,000. 0%. 0,38. 9,3. 2016. 8,916. 0,016. 14,4%. 0,59. 14,46. 1864. 8,244. 0,025. 20,7%. 0,78. 19,12. 1320. 5,838. 0,033. 19,4%. 0,88. 21,58. 0. 0,000. 0,038. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 16,7 ªC Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. 0. 0. 2268. 10,030. 0,000. 0%. 0,28. 6,86. 2120. 9,376. 0,012. 11,2%. 0,41. 10,05. 1984. 8,774. 0,018. 15,3%. 0,57. 13,97. 1798. 7,952. 0,024. 19,3%. 0,63. 15,45. 1780. 7,872. 0,027. 21,1%. 0,98. 24,0. 0. 0,000. 0,042. 0% Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 19,1 ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. 0. 0. 2272. 10,048. 0,000. 0%. 0,28. 6,86. 2216. 9,800. 0,012. 11,7%. 0,39. 9,56. 2009. 8,885. 0,017. 14,7%. 0,93. 22,80. 1174. 5,192. 0,040. 20,6%. 1,1. 26,97. 0. 0,000. 0,047. 0%. Tabla 9. Resultados Turbina con Resina a Vel. Viento de 5.08 m/s. 52.

(53) IM – 2006 – I- 08 Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 20,7ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2280. 10,08. 0. 0%. 0,19. 4,65. 1985. 8,779. 0,008. 7,1%. 0,28. 6,86. 1917. 8,478. 0,012. 10,1%. 0,35. 8,58. 1906. 8,429. 0,015. 12,5%. 0,52. 12,75. 1220. 5,395. 0,022. 11,9%. 0,63. 15,45. 0. 0,000. 0,027. 0%. Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 18,8ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). 0. 0. 2276. 10,066. 0,000. 0%. 0,15. 3,67. 2008. 8,880. 0,006. 5,6%. 0,31. 7,60. 1895. 8,380. 0,013. 11,0%. 0,33. 8,09. 1798. 7,952. 0,014. 11,2%. 0,6. 14,71. 0. 0,000. 0,026. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2279. 10,079. 0,000. 0%. 0,21. 5,15. 1894. 8,376. 0,009. 7,5%. 0,29. 7,11. 1799. 7,956. 0,012. 9,8%. 0,45. 11,03. 1640. 7,252. 0,019. 13,9%. 0,58. 14,22. 0. 0,000. 0,025. 0%. Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 18,1ªC. Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 19,4ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2280. 10,083. 0,000. 0%. 0,2. 4,9. 2003. 8,858. 0,009. 7,5%. 0,33. 8,09. 1826. 8,076. 0,014. 11,3%. 0,49. 12,01. 1447. 6,399. 0,021. 13,3%. 0,55. 13,48. 1386. 6,129. 0,023. 14,3%. 0,59. 14,46. 0. 0,000. 0,025. 0%. Tabla 10. Resultados Turbina con Resina lijada a Vel. Viento de 3.55 m/s. 53.

(54) IM – 2006 – I- 08. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 20,7 ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2318. 10,251. 0,000. 0%. 0,41. 10,05. 2206. 9,756. 0,018. 17,0%. 0,49. 12,0. 2157. 9,539. 0,021. 19,9%. 0,86. 21,09. 1926. 8,518. 0,037. 31,2%. 0,87. 21,33. 1915. 8,469. 0,037. 31,4%. 1,12. 27,46. 0. 0,000. 0,048. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 18,8 ªC Vel. Angular (rpm). 0. 0. 2320. 10,260. 0,000. 0%. 0,17. 4,16. 2297. 10,159. 0,007. 7,3%. 0,51. 12,50. 1936. 8,562. 0,022. 18,6%. 0,67. 16,43. 1793. 7,930. 0,029. 22,6%. 1,1. 26,9. 0. 0,000. 0,047. 0%. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 18,1 ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2316. 10,243. 0,000. 0%. 0,37. 9,07. 2177. 9,628. 0,016. 15,2%. 0,39. 9,56. 2168. 9,588. 0,017. 15,9%. 0,55. 13,48. 1828. 8,084. 0,023. 18,9%. 0,98. 24,03. 0. 0,000. 0,042. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 19,4 ªC Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. 0. 0. 2320. 10,260. 0,000. 0%. 0,36. 8,82. 2257. 9,982. 0,015. 15,3%. 0,42. 10,3. 1993. 8,814. 0,018. 15,8%. 0,71. 17,41. 1876. 8,297. 0,030. 25,1%. 0,89. 21,82. 1614. 7,138. 0,038. 27,1%. 1,06. 25,99. 0. 0,000. 0,045. 0%. Tabla 11. Resultados Turbina con Resina lijada a Vel. Viento de 5.08 m/s. 54.

(55) IM – 2006 – I- 08. r (cm). λ( r). a. a'. β( r) (rad). β( r) (grad). φ. f. F. Cd/Cl. C( r) (cm). 1,10. 0,51. 0,30. 0,51. 0,65. 37,06. 0,73. 28,39. 1,00. 0,01. 2,33. 2,10. 0,98. 0,31. 0,18. 0,45. 25,61. 0,53. 18,22. 1,00. 0,02. 2,37. 3,10. 1,45. 0,32. 0,60. 0,20. 11,37. 0,40. 14,67. 1,00. -1,35. 4,80. 4,10. 1,91. 0,32. 0,53. 0,14. 8,00. 0,32. 12,64. 1,00. -1,70. 3,94. 5,10. 2,38. 0,32. 0,35. 0,12. 6,94. 0,27. 11,11. 1,00. -1,52. 2,47. 6,10. 2,85. 0,32. 0,24. 0,10. 5,86. 0,23. 9,80. 1,00. -1,38. 1,81. 7,10. 3,31. 0,32. 0,18. 0,09. 4,87. 0,20. 8,60. 1,00. -1,26. 1,44. 8,10. 3,78. 0,32. 0,13. 0,07. 4,01. 0,17. 7,45. 1,00. -1,14. 1,19. 9,10. 4,25. 0,32. 0,11. 0,06. 3,26. 0,15. 6,33. 1,00. -1,04. 1,02. 10,10. 4,71. 0,32. 0,08. 0,05. 2,61. 0,14. 5,24. 1,00. -0,96. 0,89. 11,10. 5,18. 0,32. 0,07. 0,04. 2,04. 0,13. 4,16. 0,99. -0,88. 0,79. 12,10. 5,65. 0,31. 0,06. 0,03. 1,55. 0,12. 3,08. 0,97. -0,81. 0,71. 13,10. 6,11. 0,31. 0,05. 0,02. 1,12. 0,11. 2,02. 0,92. -0,75. 0,66. 14,10. 6,58. 0,31. 0,04. 0,01. 0,74. 0,10. 0,95. 0,75. -0,70. 0,65. 15,00. 7,00. 0,31. 0,04. 0,01. 0,42. 0,09. 0,00. 0,00. -0,74. 0,63. Tabla 12. Parámetros de diseño del nuevo rotor.. 55.

(56) IM – 2006 – I- 08. Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 18,7ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2360. 10,4371831. 0. 0%. 0,15. 3,67. 2186. 9,668. 0,006. 6,1%. 0,2. 4,90. 2030. 8,978. 0,009. 7,6%. 0,28. 6,86. 1967. 8,699. 0,012. 10,4%. 0,51. 12,50. 1786. 7,899. 0,022. 17,2%. 0,6. 14,71. 0. 0,000. 0,026. 0%. Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 19,1ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2358. 10,428. 0,000. 0%. 0,15. 3,67. 2170. 9,597. 0,006. 6,1%. 0,31. 7,60. 1970. 8,712. 0,013. 11,5%. 0,53. 12,99. 1915. 8,469. 0,023. 19,1%. 0,65. 15,94. 0. 0,000. 0,028. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 3,55 m/s a 18,3ªC Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. 0. 0. 2358. 10,428. 0,000. 0%. 0,19. 4,65. 2062. 9,119. 0,008. 7,3%. 0,28. 6,86. 1990. 8,801. 0,012. 10,5%. 0,43. 10,54. 1840. 8,137. 0,018. 14,9%. 15,45. 0. 0,000. 0,027. 0%. 0,63. Tabla 13. Resultados turbina resultante a Vel. Viento= 3,55 m/s. 56.

(57) IM – 2006 – I- 08. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 18,7 ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2382. 10,534. 0,000. 0%. 0,4. 9,81. 2276. 10,066. 0,017. 17,1%. 0,47. 11,52. 2180. 9,641. 0,020. 19,3%. 0,79. 19,37. 1984. 8,774. 0,034. 29,6%. 0,86. 21,09. 1921. 8,496. 0,037. 31,2%. 1,07. 26,24. 0. 0,000. 0,046. 0%. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 19,1 ªC Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Vel. Angular (rpm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. 0. 0. 2380. 10,526. 0,000. 0%. 0,21. 5,15. 2287. 10,114. 0,009. 9,0%. 0,49. 12,01. 2009. 8,885. 0,021. 18,5%. 0,89. 21,82. 1937. 8,566. 0,038. 32,5%. 0,99. 24,27. 0. 0,000. 0,042. 0%. Masa (g). Torque (x 10^-4) (Nm). Coef. Vel.. Coef. Torque. Coef. Potencia. Velocidad de Viento = 5,08 m/s a 18,3 ªC Vel. Angular (rpm). 0. 0. 2380. 10,526. 0,000. 0%. 0,19. 4,65. 2277. 10,070. 0,008. 8,1%. 0,51. 12,50. 2067. 9,141. 0,022. 19,9%. 0,84. 20,60. 1969. 8,708. 0,036. 31,2%. 25,5. 0. 0,000. 0,044. 0%. 1,04. Tabla 14. Resultados turbina resultante a Ve. Viento= 5,08 m/s. 57.

(58) IM – 2006 – I- 08. Bibliografía.. •. Pinilla, Alvaro. Notas de Energía Eólica. Agosto de 2004. •. Lysen, Erik. Introduction to wind Energy. A publication of SWD in 1982,. •. Burton Tony, Wiley John. Wind Energy Handbook. Sons edition. 2001. •. Osorio, Emmanuel. Análisis de acople de un rotor eólico a un generador de imanes permanentes para un prototipo preindustrial de aerogenerador de 300W.. 2003.. •. Tokuyama Hideki, Ushiyama Izumi, Seki Kazuichi. Experimental Determination of Optimum Design Configuration for Micro Wind Turbines at Low Wind Speeds. 2002.. •. Somers M. Dan. The S833, S834, and S835 Airfoils., 2002. •. Somers M. Dan, Maughmer, M, D. Theoretical Aerodynamic Analyses of Six Airfoils for Use on Small Wind Turbines. 2002. 58.

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