Diseño de una turbina eólica de 250 w de eje horizontal para un sistema de generación aislado

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

DISEÑO DE UNA TURBINA EÓLICA DE 250 W DE EJE

HORIZONTAL PARA UN SISTEMA DE GENERACIÓN

AISLADO.

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO

DE INGENIERA EN MECATRÓNICA

MADELAINE LIZBETH VEINTIMILLA ANDRADE

DIRECTOR: ING. LUIS HIDALGO

DECLARACIÓN

Yo MADELAINE LIZBETH VEINTIMILLA ANDRADE, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

_________________________ Madelaine Veintimilla

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño de una turbina eólica de 250 W de eje horizontal para un sistema de generación aislado.”, que, para aspirar al título de Ingeniera en Mecatrónica fue desarrollado por Madelaine Veintimilla, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.

___________________ Ing. Luis Hidalgo

DIRECTOR DEL TRABAJO

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mis padres, las personas que inspiran mis sueños, quienes supieron guiar cada paso de mi formación y estuvieron junto a mí a lo largo de mi carrera brindándome su apoyo incondicional, sus palabras de aliento y sus oportunos consejos, a mis hermanas quienes estuvieron a mi lado compartiendo momentos gratos llenos de alegría, a mis queridas abuelitas por estar pendientes de mí en cada momento , a mi linda familia y amigos: Johana, Félix, Esteban, Javier y José, por acompañarme a lo largo de este reto que hoy se convierte en una meta cumplida.

Agradecimiento

Agradezco a Dios por los bellos momentos que me ha concedido vivir, por las enseñanzas, las lecciones y los retos, porque con cada uno de ellos he aprendido a crecer, a saber levantarme tras un tropiezo y a tener convicción para seguir caminando en el transcurso de este largo camino que apenas inicia, pues detrás de cada logro hay otro desafío.

Agradezco al Ing. Luis Hidalgo, por su colaboración como director del proyecto, al Ing. Diego Suárez, por abrirme las puertas de la Empresa ENYATEC para desarrollar mi tesis y de igual manera al Ing. David Delgado por brindarme su asesoría y apoyo en la elaboración de la misma.

Gracias a todas las personas que directa o indirectamente fueron partícipes en el desarrollo de este proyecto.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

ÍNDICE DE CONTENIDOS ... i

ÍNDICE DE TABLAS ... v

ÍNDICE DE FIGURAS ... vi

ÍNDICE DE ANEXOS ... x

RESUMEN... xi

ABSTRACT ... xii

1. INTRODUCCIÓN ... 1

2. MARCO TEÓRICO... 5

2.1 Energías Renovables ... 6

2.1.1 Biomasa ... 6

2.1.2 Energía Hidráulica ... 8

2.1.3 Energía Geotérmica... 9

2.1.4 Energía Solar... 10

2.2 Energía Eólica ... 14

2.2.1 Viento ... 15

2.2.2 Fuerza de Coriolis ... 16

2.2.3 Densidad del Aire ... 17

2.2.4 Potencia del Viento ... 17

2.3 Límite de Betz ... 19

2.4 Medición del viento ... 24

2.5 Aerogeneradores ... 25

2.5.1 Turbinas de eje vertical ... 28

2.5.2 Turbinas de eje Horizontal ... 30

ii

2.6.1 Rotor ... 34

2.6.2 Buje ... 34

2.6.3 Góndola ... 34

2.6.4 Generador ... 35

2.6.5 Caja Multiplicadora ... 35

2.6.6 Controlador electrónico ... 35

2.6.7 Mecanismo de orientación ... 36

2.6.8 Torre ... 36

2.7 Álabes ... 36

2.7.1 Perfiles Aerodinámicos ... 37

2.7.2 Regiones de un perfil aerodinámico ... 38

2.7.3 Efecto de Bernoulli ... 39

2.7.4 Fuerzas en los perfiles aerodinámicos ... 40

2.7.5 Ángulo de ataque ... 42

2.8 Modelo de diseño de los álabes ... 42

2.8.1 Método Blade Element Momentum ... 42

2.8.2 Fluidos ... 47

2.9 Variables Aerodinámicas ... 49

2.10 Materiales ... 51

2.11 Principio de Funcionamiento ... 53

2.12 Turbina con difusor DAWT ... 54

2.13 Ventajas y Desventajas ... 56

2.14 Desarrollo de la Energía Eólica... 59

2.14.1 Energía Eólica Global ... 59

2.14.2 Energía Eólica en el Ecuador ... 62

iii

2.15 Precio de la Energía Renovable en el Ecuador ... 66

2.16 Normas ... 67

3. METODOLOGÍA ... 69

3.1 ETAPAS DE DISEÑO ... 71

3.1.1 ETAPA 1: Análisis de Requerimientos ... 71

3.1.2 ETAPA 2: Estructuración del Diseño Mecánico... 72

3.1.2.1 Cálculos y Obtención de Datos ... 72

3.1.2.2 Proceso de Diseño... 72

3.1.2.3 Selección de Número de Álabes ... 73

3.1.2.4 Selección del Perfil Aerodinámico ... 75

3.1.2.5 Velocidad Relativa ... 81

3.1.2.6 Número de Reynolds ... 81

3.1.2.7 Linealización ... 85

3.1.2.8 Algoritmo de solución del método BEM... 86

3.1.2.9 Proceso de generación y pérdidas ... 90

3.1.2.10 Análisis de Esfuerzos ... 91

3.1.2.11 Diseño del Eje ... 93

3.1.3 ETAPA 3: Selección de Materiales ... 95

3.1.4 ETAPA 4: Simulaciones del Diseño ... 99

3.1.4.1 Métodos empleados ... 99

3.1.4.2 CAD (Computer Aided Design) ... 100

3.1.4.3 CAE (Computer Aided Engineering) ... 101

3.1.4.4 Ecuaciones de Mecánica de Fluidos ... 101

3.1.4.5 Proceso de Simulación ... 102

3.1.4.6 Volumen de Control ... 103

iv

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 65

4.1 Cálculos Obtenidos ... 112

4.1.1 Re- Diseño ... 113

4.1.2 Diseño Final: Turbina con Difusor (DAWT) ... 115

4.1.2.1 Análisis Estructural ... 115

4.1.2.2 Simulación CAE ... 117

4.2 Mantenimiento ... 126

4.3 Calculo de Rentabilidad ... 126

4.3.1 Presupuesto ... 126

4.3.2 Modelo de Distribución Weibull ... 130

4.3.3 Factor de Planta ... 138

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 107

Conclusiones ... 142

Recomendaciones ... 144

NOMENCLATURA ... 146

BIBLIOGRAFÍA ... 149

v

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Escala de Beaufort ... 25

Tabla 2.2 Precios de energía de fuentes renovables en el Ecuador ... 66

Tabla 3.1 Requerimientos para el diseño del aerogenerador ... 71

Tabla 3.2 Especificaciones del Generador ... 72

Tabla 3.3 Selección de número de álabes ... 73

Tabla 3.4 Valores de eficiencia y coeficiente de potencia real ... 84

Tabla 3.5 Criterios Ponderados ... 96

Tabla 3.6 Propiedades Mecánicas de la Fibra de Vidrio ... 98

Tabla 3.7 Propiedades de la Balsa ... 99

Tabla 4.1 Resultados turbina HAWT ... 113

Tabla 4.2 Resultados Turbina DAWT... 114

Tabla 4.3 Tabla de resultados de la simulación ... 124

Tabla 4.4 Presupuesto – Alernativa 1 (Diseño Inicial) ... 127

Tabla 4.5 Presupuesto – Alernativa 2 (Diseño Final) ... 128

Tabla 4.6 Presupuesto – Alernativa 3 (Diseño Final) ... 129

Tabla 4.7 Análisis de datos de velocidades de Quito ... 131

Tabla 4.8 Parámetros de la distribución de Weibull Quito ... 132

Tabla 4.9 Análisis de datos de velocidades de Catamayo ... 133

Tabla 4.10 Parámetros de la distribución de Weibull Catamayo ... 135

Tabla 4.11 Análisis de datos de velocidades de San Cristóbal ... 136

Tabla 4.12 Parámetros de la distribución de Weibull San Cristóbal ... 137

vi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Biodigestor, biomasa ... 7

Figura 2.2 Energía hidráulica ... 9

Figura 2.3 Energía geotérmica... 10

Figura 2.4Energía que ingresa a la tierra en promedio cada año…………..8

Figura 2.5 Energía solar térmica ... 12

Figura 2.6 Energía solar fotovoltaica ... 13

Figura 2.7 Aerogenerador ... 14

Figura 2.8 Fuerza de Coriolis ... 16

Figura 2.9 Flujo de aire a través de una sección circular perpendicular a la dirección del viento. ... 18

Figura 2.10 Rotor ideal para análisis de la Ecuación de Betz ... 19

Figura 2.11 Curvas de coeficientes de potencia para diferentes tipos de máquinas eólicas. ... 23

Figura 2.12 Curvas de porcentaje de coeficientes de potencia para diferentes tipos de máquinas eólicas ... 23

Figura 2.13 Anemómetro ... 24

Figura 2.14 Parque eólico onshore ... 26

Figura 2.15 Parque eólico offshore ... 27

Figura 2.16 Aerogeneradores ... 27

Figura 2.17 Turbina tipo Darrieus ... 28

Figura 2.18 Turbina tipo Savonius ... 29

Figura 2.19 Turbina Daerrieus Giromil ... 30

Figura 2.20 Aerogeneradores de eje horizontal ... 31

Figura 2.21 Aerogeneradores a barlovento y sotavento ... 32

Figura 2.22 Componentes de un aerogenerador ... 33

Figura 2.23 Álabe ... 37

Figura 2.24 Regiones de un perfil aerodinámico ... 38

Figura 2.25 Flujo de aire en un álabe ... 39

Figura 2.26 Fuerzas sobre un perfil aerodinámico ... 40

vii

Figura 2.28 Modelo de BEM ... 43

Figura 2.29 Ángulos en un álabe ... 43

Figura 2.30 Efectos de flujos laminar y turbulento en función del incremento del ángulo de ataque. ... 49

Figura 2.31 Variación de flujo laminar en un perfil aerodinámico ... 51

Figura 2.32 Soluciones constructivas de los álabes ... 52

Figura 2.33 Soluciones constructivas de los álabes II ... 53

Figura 2.34 Turbina tipo DAWT (Diffuser Augmented Wind Turbine) ... 54

Figura 2.35 Flujo en una turbina DAWT ... 56

Figura 2.36 Rango de decibeles ... 58

Figura 2.37 Potencia eólica anual instalada en el mundo. 1996-2012 ... 59

Figura 2.38 Potencia eólica instalada acumulada. 1996-2012 ... 60

Figura 2.39 Proyección del incremento en la utilización del recurso eólico. . 60

Figura 2.40 Países con mayor producción eólica ... 61

Figura 2.41 Parque eólico San Cristóbal ... 64

Figura 2.42 Parque eólico Santa Cruz – Baltra ... 65

Figura 2.43 Parque Eólico Villonaco ... 65

Figura 3.1 Proceso de Diseño ... 70

Figura 3.2 Coeficiente de potencia teórico según la relación de velocidad lambda y el número de álabes ... 74

Figura 3.3 Coordenadas Perfil NACA 4412... 77

Figura 3.4 Curva de Coeficiente de sustentación NACA 4412 ... 77

Figura 3.5 División de secciones e identificación de Radios. ... 78

Figura 3.6 Fuerzas y velocidades en un álabe ... 79

Figura 3.7 Ángulo de flujo por sección. ... 80

Figura 3.8 Velocidad relativa por sección. ... 80

Figura 3.9 Número de Reynolds en el álabe ... 81

Figura 3.10 Coeficiente de sustentación y arrastre en función del número de Reynolds ... 83

Figura 3.11 Gráfica de linealización del álabe... 86

Figura 3.12 Algoritmo BEM ... 89

viii

Figura 3.14 Dimensiones del álabe y ubicación de fuerzas... 91

Figura 3.15 Diagramas de Momentos Cortante y Flector ... 94

Figura 3.16 Alineación del álabe ... 100

Figura 3.17 Álabe ... 100

Figura 3.18 Proceso de simulación ... 102

Figura 3.19 Volumen de Control ... 103

Figura 3.20 Refinamiento de mallado ... 104

Figura 3.21 Inflation ... 105

Figura 3.22 Control adimensional y+ ... 106

Figura 3.23 Presentación y optimización de resultados en el rotor ... 110

Figura 4.1 Diseño CAD de turbina tipo HAWT ... 112

Figura 4.2 Diseño CAD de turbina tipo DAWT ... 114

Figura 4.3 Álabe de Balsa para análisis estructural ... 115

Figura 4.4 Desplazamiento ... 116

Figura 4.5 Von Misses ... 116

Figura 4.6 Perfil NACA 4412 - Presión... 117

Figura 4.7 Perfil NACA 4412 - Velocidad ... 117

Figura 4.8 Volumen de control rotacional ... 118

Figura 4.9 Volumen de control estático ... 118

Figura 4.10 Mallado en el rotor ... 119

Figura 4.11 Mallado en el rotor con refinamiento ... 119

Figura 4.12 Optimización del mallado ... 119

Figura 4.13 Definición de parámetros y límites de simulación ... 120

Figura 4.14 Incremento de velocidad en el difusor ... 121

Figura 4.15 Flujo del viento en el estator (Escala global) ... 122

Figura 4.16 Dirección de rotación de la turbina en función de la velocidad resultante ... 123

Figura 4.17 Dirección de rotación de la turbina en función de la velocidad estacionaria de referencia ... 123

Figura 4.18 Parámetro Y+ (0-20) en el rotor ... 125

Figura 4.19 Parámetro Y+ (0-250) en el estator ... 125

x

ÍNDICE DE ANEXOS

Anexo I: Potencial Eólico - Eléctrico Estimado del Ecuador ... 157

Anexo II: Especificaciones del Generador ... 161

Anexo III: Perfiles Aerodinámicos ... 164

Anexo IV: Norma European Standard En 61400-2:2006 Wind turbines — Part 2: Design requirements for small wind turbines ... 177

Anexo V: Programación Para El Cálculo de los Álabes ... 184

Anexo VI: Tablas de Resultados ... 162

Anexo VII:Proceso de Diseño CAD del Aerogenerador ... 163

Anexo VIII: Planos ... 170

Anexo IX: Simulaciones ... 164

xi

RESUMEN

El proyecto presentado a continuación corresponde al desarrollo del diseño de una turbina eólica tipo DAWT (Diffuser Augmented Wind Turbine), el mismo que plantea una posible solución energética en sectores aislados o como una fuente de ahorro en sectores con alto potencial eólico. Inicialmente se desarrolló una investigación sobre la energía eólica y los parámetros que intervienen en el diseño de aerogeneradores, se consideraron diversos factores para la obtención de cálculos con el fin de obtener resultados que permitan un óptimo desempeño de la turbina. Dichos cálculos se basaron en la ley de BETZ y la teoría de Blade Element Momentum, la misma que permitió analizar el álabe por secciones obteniendo como resultado las fuerzas, ángulos y momento producidos en cada una de ellas. Una vez que se obtuvo dicha información se procedió a desarrollar la geometría aerodinámica con el perfil seleccionado y el modelo virtual a través de una herramienta de tipo CAD, la misma que posteriormente fue analizada mediante una herramienta CAE de tipo CFD a través de la discretización del modelo virtual y el análisis de cada volumen de dicho elemento, se establecieron los parámetros de control adecuados con el fin de obtener los resultados del comportamiento de la turbina, lo que permitió predecir el desempeño de la misma en condiciones reales. Se presentó la validación del diseño en función de los resultados obtenidos y las alternativas para una posible construcción empleando los diversos materiales y procesos de manufactura disponibles en el país. Finalmente se desarrolló un análisis de rentabilidad basándose en la producción anual energética de la turbina diseñada.

xii

ABSTRACT

This project presents the development of a Diffuser Augmented Wind Turbine (DAWT) design. The wind turbine is a possible energy solution in outlying areas or as a saving source in areas with high wind potential. Initially, a research on wind energy and the parameters involved in the design of wind turbines was developed. Also, several factors were considered to obtain an optimal performance of the turbine. These calculations were based on BETZ’s Law and The Blade Element Momentum theory. Both theories allowed analyzing the blade sections obtaining the forces, angles and moment produced on each one. Once the above mentioned information was obtained, we proceeded to develop the aerodynamic geometry with the chosen profile and the virtual model through a CAD tool. The aerodynamic geometry was subsequently analyzed by a CAE tool of CFD type through virtual model discretization and the analysis of each volume of the element. Control parameters were established to obtain the results of the turbine behavior, which led us to predict its performance in real conditions. The results validated the DAWT design efficiency and the construction alternatives using different materials and manufacturing processes available in the country. Finally a cost benefit analysis was supported by the turbine annual energy production.

1 Los recursos energéticos no renovables se agotan con el paso del tiempo, el mal uso de dichos recursos ha causado varios daños en nuestro planeta; sin embargo tenemos soluciones que nos proporciona el entorno, y nuestro país cuenta con un gran potencial para desarrollar distintos tipos de energía renovable, los mismos que nos permitirán disminuir el uso de energía producida en base a combustibles fósiles.

La participación de las energías renovables debe incrementarse en la producción nacional; para el cumplimiento de este objetivo, se deben impulsar los proyectos de utilización de energías limpias: geotermia, biomasa, eólica, solar, entre otras. Según la Secretaría Nacional de Ciencia y Tecnología, en concordancia con la Agenda Energética del Gobierno Nacional, se instrumentarán los mecanismos de apoyo para la ejecución de proyectos de investigación, desarrollo, adaptación y transferencia de tecnologías para la producción de energías alternativas y renovables, generación y utilización de biocombustibles y su incorporación en la matriz energética del Ecuador, que permitan sustituir progresivamente el componente de generación térmica y que, además, liberen divisas que puedan aprovecharse para el desarrollo nacional. (SENACYT, 2007-2010)

2 madera, de 17 metros y 144 palas. Posteriormente, en 1897, Poul la Cour funda la sociedad de energía eléctrica del viento y sienta las bases de los sistemas modernos en Dinamarca. Como consecuencia de la crisis energética de fines de los 70 e inicios de los 80, se tomaron en consideración las fuentes no convencionales de energía y se emprendió la instalación de parques eólicos. En la actualidad, las aplicaciones más importantes de la energía eólica son para la generación eléctrica y para el bombeo de agua. ( Sánchez Miño, 2003)

La producción mundial de energía eléctrica con aerogeneradores ha presentado un constante crecimiento en las últimas décadas, apoyada fundamentalmente por políticas de fomento de energías renovables y disminución de la dependencia de los combustibles fósiles. ( Sánchez Miño, 2003)

Dada la importancia de este tipo de energía, a continuación se plantea una propuesta basada en el diseño de una turbina eólica de eje horizontal de 250 W, tomando en cuenta diversos factores y requerimientos que intervienen en el diseño de la misma, obteniendo resultados favorables en cuanto al aprovechamiento del recurso eólico y la optimización de la turbina mediante la inclusión de un difusor, elemento que permite incrementar la velocidad del viento en el rotor obteniendo una mayor potencia de salida.

OBJETIVOS

Objetivo General

3

Objetivos Específicos

 Diseñar una turbina eólica que cumpla con los parámetros de diseño en cuanto a velocidad, dimensiones, generación y presupuesto.

 Diseñar mecánicamente los elementos del aerogenerador a través de las diversas teorías y modelos que intervienen en el mismo.

 Desarrollar el modelo CAD de la turbina utilizando la herramienta de software Solidworks a partir de los datos obtenidos en el diseño.

 Validar el diseño propuesto a través de simulaciones desarrolladas en Ansys, una herramienta CAE que permite obtener resultados del comportamiento de la turbina a través de un modelo virtual, los mismos que mediante los parámetros de control establecidos coincidan con los datos calculados previamente y el cumplimiento de los requerimientos propuestos.

 Investigar sobre las tecnologías de manufactura y los materiales presentes en el país y de este modo corroborar que la propuesta pueda ser llevada a cabo.

4 enfocado en los aspectos social, económico y ambiental y cuya construcción pueda ser efectuada en el país.

Mediante los datos obtenidos en el Registro Histórico del Departamento de Climatología de la Dirección General de Aviación Civil, se tendrá conocimiento sobre las condiciones climáticas que se presentan en tres localizaciones del país, a fin de tener diferentes perspectivas sobre posibles implantaciones de la turbina. Así como también a través de la investigación desarrollada se podrán plantear alternativas para su construcción bajo lo estipulado en el presupuesto para el desarrollo de la propuesta.

6 El capítulo que se presenta a continuación hace referencia al estado del arte, permitiendo conocer el comportamiento de los diversos tipos de energía renovable enfocándose en la energía eólica como eje principal del proyecto, describiendo su funcionamiento y los diversos factores que intervienen en el diseño y generación de energía.

2.1 ENERGÍAS RENOVABLES

Se denominan fuentes energéticas renovables a las que son de origen natural y pueden emplearse ilimitadamente debido a que su suministro es abundante y en algunos casos inagotables, se caracterizan por ser poco dañinas para el medio ambiente, y en la actualidad se pretenden sustituir los combustibles fósiles por dichas energías. (Madrid, 2009)

Entre las principales fuentes de energía renovable se pueden citar:

2.1.1 BIOMASA

La biomasa, desde los orígenes de la humanidad, ha sido utilizada como fuente de calor y actualmente constituye un importante recurso para la obtención de energía.

7 El Ecuador posee un gran potencial tanto por la magnitud de su actividad agrícola como por las posibilidades de aprovechamiento de los residuos urbanos. (INER, 2013)

Figura 2.1 Biodigestor, biomasa (Energía y Ambiente, 2013)

Ventajas

 Se utilizan los restos orgánicos producto de procesos de los sectores agrícola y ganadero, así como los residuos sólidos y líquidos de asentamientos urbanos.

 Produce un combustible más barato que los combustibles fósiles.

 Las cenizas o restos que se obtienen del proceso son utilizados como abono.

 La quema de biomasa no produce sulfuros (causantes de la lluvia acida).

8

Desventajas

 El costo de las instalaciones es elevado en comparación con las fuentes de energía convencionales.

 El almacenamiento de la biomasa necesita instalaciones de gran tamaño.

 El poder calorífico de la biomasa es mucho menor que el de los combustibles fósiles, por lo que se necesita una mayor cantidad de biomasa para conseguir la misma energía.

2.1.2 ENERGÍA HIDRÁULICA

La energía hidráulica o energía hídrica es una fuente de energía renovable que aprovecha la caída de agua desde una cierta altura generando energía eléctrica. Dicha energía se aprovecha partiendo del recurso de manera natural como cataratas o mediante la construcción de presas.

Las instalaciones más comunes son las centrales hidroeléctricas y la producción de energía a través de este recurso representa el 90% de la electricidad de origen limpio a nivel mundial. (Twenergy, 2013)

Ventajas

 El agua empleada en el proceso puede volver a utilizarse.

 Larga vida útil de sus instalaciones.

 Ayuda a la disminución de la emisión de gases de efecto invernadero ya que es un sustituto de fuentes contaminantes en la producción de electricidad.

Desventajas

9

 Genera un impacto ambiental debido a las infraestructuras necesarias para su explotación.

 Como consecuencia de los embalses se pierden grandes espacios de suelo productivo y fauna debido a la inundación de su hábitat.

 Causan una disminución en el flujo de los ríos y arroyos por debajo de la presa y pueden alterar la calidad de las aguas.

Figura 2.2 Energía hidráulica (Somos lo que creemos, 2013)

2.1.3 ENERGÍA GEOTÉRMICA

La energía geotérmica es una energía renovable que aprovecha el calor del subsuelo para climatizar y obtener agua caliente sanitaria de forma ecológica. Se encuentra disponible en cualquier condición climática especialmente en regiones con condiciones geológicas adecuadas. (Twenergy, 2013)

10 de todo el cinturón andino (43 en el territorio continental ecuatoriano). (INER, 2013)

Figura 2.3 Energía geotérmica (ERenovable, 2013)

Ventajas

 La fuente de energía está presente en todas partes del mundo.

 Genera bajos niveles de contaminación, sobre todo con relación a los combustibles fósiles.

 La utilización de energía geotérmica evitaría la dependencia de energía de otros países.

Desventajas

 Su instalación es muy costosa.

 Impacto ambiental.

2.1.4 ENERGÍA SOLAR

11 química, indispensable para la vida vegetal y animal. El sol está en la génesis de los vientos y es el motor que mueve los ciclos hidrológicos. La energía solar que recibe la superficie de la tierra se ha calculado equivalente a 178 000 TW-año. En 1990 se calculaba que esta cantidad era 15 000 veces mayor que el consumo global. No obstante, cerca del 30% de esta energía es reflejada en el espacio, 50% es absorbida, convertida en calor y reenviada a la superficie terrestre; de este 50%, 49 000 TW-año son reenviados como energía calorífica bajo la forma de radiación electromagnética y 40 000 TW-año como energía calórica propiamente dicha. Los 20% restantes permiten la formación de los vientos (~ 350 TW), alimentan de energía los ciclos hidrológicos (~ 35 000 TW) y una muy pequeña parte de la energía solar es utilizada por la fotosíntesis, gracias a la cual la biodiversidad planetaria existe (100 TW). (CONELEC C. N., 2008)

Figura 2.4 Energía que ingresa a la tierra en promedio cada año (CONELEC C. N., 2008)

12 para procesos industriales, la desalinización de agua marina, entre otras. (INER, 2013)

Figura 2.4 Energía solar térmica (BIODISOL, 2013)

Energía solar fotovoltaica: Los paneles solares generan electricidad a través de un fenómeno físico denominado efecto fotovoltaico, que consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas, elaboradas a base de silicio con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), capaces de generar una corriente utilizando como fuente la radiación luminosa, es decir que los materiales producen una corriente eléctrica al ser expuestos a la luz, estos convierten directamente la luz del sol en electricidad.

La energía solar puede ser considerada como la principal fuente de las energías renovables ya que posee un potencial para proveer de energía limpia a gran escala. (INER, 2013)

Ventajas

 Es un recurso ilimitado.

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 El único costo asociado al uso de la energía solar es el costo de los componentes y su instalación, no hay costos adicionales.

 Los sistemas de energía solar pueden ser diseñados para ser flexibles y expandibles, es decir que en un futuro se puede aumentar la capacidad del sistema.

 No produce ruido.

 No existe contaminación visual. (EnergiaSolar, 2013)

Figura 2.5 Energía solar fotovoltaica (123RF, 2013)

Desventajas

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 Los costos iniciales de instalación de un sistema de energía solar pueden ser altos comparados con otras alternativas. (EnergiaSolar, 2013)

2.2 ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica, nombre relativo al dios mitológico Eolo, nace del movimiento de las masas de aire que produce el viento, lo que genera energía cinética (propia de los cuerpos en movimiento), el conjunto de las partículas del aire transfiere la energía asociada a su masa y velocidad a otros cuerpos contra los cuales se impacta.

Desde hace siglos, la energía del viento ha sido utilizada para mover las aspas de los molinos de granos y cereales, además, para extraer aguas subterráneas, actualmente, se la utiliza para generación de electricidad utilizando turbinas y para aprovechar la fuerza del viento, debemos transformarla en energía mecánica y ésta, a su vez, en energía eléctrica. (INER, 2013)

15 En el globo terrestre, el movimiento de las masas de aire se debe principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares del planeta, al igual que a las elevadas temperaturas de la superficie terrestre que obligan a ascender a las masas de aíre caliente por ser más ligeras.

En las últimas décadas se observa un crecimiento de la energía producida en los parques eólicos que, en muchos países, representan ya un importante componente del total de la oferta de energía eléctrica proveniente de fuentes de energías renovables. (INER, 2013)

Se calcula que entre el 1 y 2% de la energía del sol que incide sobre nuestro planeta se transforma en viento. (Madrid, 2009)

2.2.1 Viento

El viento es el desplazamiento horizontal del aire con respecto a la superficie terrestre. Se origina como consecuencia de las diferencias de presión y viaja desde las zonas de alta presión hasta las de baja presión, debido al campo creado por las variaciones en la transferencia de calor a la atmósfera.

Generalmente la fuerza del gradiente de presión vertical se cancela con la fuerza gravitatoria, es por esto que el viento sopla predominantemente en el plano horizontal, respondiendo a los gradientes horizontales de presión.

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2.2.2 Fuerza de Coriolis

La fuerza de Coriolis debe su nombre al ingeniero y matemático francés Gaspard Gustave de Coriolis (1792-1843), y es el efecto que un observador en movimiento de rotación aprecia sobre cualquier cuerpo que se mueve con respecto a él, que se traduce en una desviación lateral de su trayectoria.

Se trata de una fuerza de inercia y tanto la aceleración como la desviación que produce sólo la detecta el observador en rotación, debido a su propia aceleración normal.

Los cuerpos que se desplazan horizontalmente en el hemisferio norte se desvían hacia la derecha independientemente de su rumbo, tanto más cuanto más alejados estén del ecuador, mientras que en el sur se desvían hacia la izquierda. Por este motivo los péndulos tienden también a girar su plano de oscilación en el mismo sentido, los vientos alisios son permanentes y dirigidos siempre hacia el oeste, y se forman ciclones que en el hemisferio norte giran siempre en sentido antihorario, al contrario que en el sur. (UCLM, 2013)

17

2.2.3 Densidad del Aire

Es un parámetro que interviene al estimar la producción energética de un aerogenerador, la fuerza que permite el funcionamiento de un aerogenerador proviene del aire, cuanto mayor sea la densidad de la masa de aire que atraviesa el rotor, mayor será la fuerza que entrega y por ende mayor su contenido energético. El aire cambia de densidad de acuerdo a la variación de presión y temperatura.

2.2.4 Potencia del Viento

La potencia del viento nos da un estimado para la potencia del aerogenerador. Cuando una masa de aire (m) es movida por una velocidad (V), ésta posee energía cinética, expresada por la ecuación:

[2.1]

Dónde: Energía Masa Velocidad

Si la densidad de aire es , entonces la energía cinética por volumen de aire, cuya velocidad V es:

[2.2]

18

Figura 2.8 Flujo de aire a través de una sección circular perpendicular a la dirección del viento.

[2.3]

[2.4]

Dónde:

Potencia del viento = Densidad

Velocidad del viento Área

Para el caso de diseño de un aerogenerador es importante considerar el coeficiente de potencia , ya que define la fracción de la energía del viento que convierte una turbina en energía mecánica, de esta manera podremos conocer la potencia de la máquina; por lo que a la ecuación planteada anteriormente se le añade dicho factor.

[2.5]

d V

19

Dónde:

Potencia mecánica = Densidad

Velocidad del viento Área

Coeficiente de potencia, cuanto mayor valor posea, mayor será su capacidad de generar energía eléctrica.

Hay que tomar en cuenta que un generador eólico nunca puede extraer toda la energía cinética del viento debido a las pérdidas que se presentan cuando el viento atraviesa el rotor. Para explicar de mejor manera lo que ocurre con el flujo de viento es preciso señalar el límite de Betz.

2.3 LÍMITE DE BETZ

Corresponde al valor máximo de eficiencia que alcanza una turbina eólica ideal. Se considera que el flujo del viento atraviesa el rotor de eje horizontal sin fricción dado que es el máximo teórico posible.

Figura 2.9 Rotor ideal de eje horizontal para análisis de la Ecuación de Betz

20 Se define a través de un tubo de corriente de simetría circular con secciones transversales como se observa en la figura 2.9. (Alagos Wind Consultant)

Ecuación de continuidad:

[2.6]

Ecuación de cantidad de movimiento:

̇ [2.7]

Fuerza del fluido en el disco:

| | ̇ [2.8] | | [2.9]

Ecuaciones de Bernoulli:

[2.10]

[2.11]

[2.12]

Combinando las ecuaciones anteriores se tiene: Ecuación 2.9 y 2.12

| | ( ) [2.13]

21 V = [2.14]

La potencia absorbida por el rotor es:

[2.15]

( ) [2.16]

Se toma un parámetro que corresponde a la relación de velocidades, teniendo:

[2.17]

Reemplazando en la ecuación 2.16, se tiene que la potencia absorbida por el rotor es:

[2.18]

Se calcula el máximo mediante:

[2.19]

Se obtiene:

[2.20]

En donde, tomando en cuenta la relación de velocidades y , se obtiene:

22 [2.21]

Finalmente se obtiene el caso límite máximo de potencia absorbida del rotor:

El procedimiento descrito demuestra que la máxima potencia proveniente del viento que se puede captar con una máquina eólica ideal corresponde al 59.3 %. Como se mencionó anteriormente, el valor del es un factor inalcanzable en la práctica ya

que se presentan diversas pérdidas friccionales, entre los álabes, en los extremos de los mismos, entre otras; por lo que para el diseño del aerogenerador se debe tomar en cuenta la razón de velocidad en el extremo del álabe .

[2.23]

Dónde:

Relación de velocidad de punta = Velocidad en la punta

Velocidad

Velocidad rotacional del rotor Radio del rotor

23

Figura 2.10 Curvas de coeficientes de potencia para diferentes tipos de máquinas eólicas.

(Hau, 2008)

Figura 2.11 Curvas de porcentaje de coeficientes de potencia para diferentes tipos de máquinas eólicas

24

2.4 MEDICIÓN DEL VIENTO

Anemómetro

El instrumento que mide la velocidad del viento de manera directa en aplicaciones eólicas es normalmente el anemómetro, siendo el más común el anemómetro de cazoletas. (Atlas Eólico del Ecuador, 2013)

Figura 2.12 Anemómetro (Directindustry, 2013)

Los diseños actuales de este tipo de instrumento tienen tres cazoletas montadas sobre un eje. El anemómetro emplea su rotación, que varía en proporción a la velocidad del viento, para generar una señal. Para medir el ritmo de rotación de las cazoletas, se pueden emplear contadores mecánicos, variaciones de voltaje, o interruptores fotoeléctricos. Lo que se obtiene entonces es el desplazamiento creado por el flujo del viento y por tanto la distancia, dividiendo ésta entre la unidad de tiempo de la muestra se obtiene la velocidad del viento. (Atlas Eólico del Ecuador, 2013)

Escala Beaufort

25

Tabla 2.1 Escala de Beaufort

Grado NOMBRE USUAL EFECTOS APRECIABLES EN TIERRA VEL (Km/h)

0 Calma Humo vertical. 0 a 1

1 Ventolina Se inclina el humo, las banderas y las

veletas no se mueven. 1 a 5

2 Flojito (brisa muy débil) Se siente el viento en la cara. Se mueven las hojas de los árboles, las banderas y las veletas.

6 a 11

3 Flojo (brisa débil) Se agitan las hojas de los árboles. Las

banderas ondean. 12 a 19

4 Bonancible (brisa moderada)

Se levanta polvo y papeles pequeños. Se

mueven las ramas pequeñas. 20 a 28

5 Fresquito (brisa fresca) Se mueven los árboles pequeños.

Pequeñas olas en los estanques. 29 a 38

6 Fresco (brisa fuerte) Se mueven las ramas grandes. Silban los hilos del telégrafo. Dificultad con los paraguas.

39 a 49

7 Frescachón (viento fuerte) Todos los árboles en movimiento. Es

difícil andar contra el viento. 50 a 61

8 Temporal (duro) Se rompen las ramas delgadas de los árboles. Generalmente no se puede andar contra el viento.

62 a 74

9 Temporal fuerte (muy duro) Árboles arrancados y daños en edificios. 75 a 88

10 Temporal duro (temporal) Graves daños en edificios. 89 a 102

11 Temporal muy duro

(borrasca) Destrozos generalizados. 103 a 117

12 Temporal huracanado

(huracán) Enormes daños. Más de 118

(RUMTOR, 2013)

2.5 AEROGENERADORES

26

Figura 2.13 Parque eólico onshore (Renovables E. , 2013)

Se pueden colocar pequeños molinos eólicos en casas, granjas o edificios a través de un sistema aislado, para producir la energía necesaria en forma de electricidad.

Para generar grandes cantidades de energía los aerogeneradores se agrupan en grandes parques eólicos, de este modo se abastecen altas demandas de consumo. (AEROGENERADORES, 2013)

Además de los parques eólicos onshore, se construyen parques eólicos en el mar (offshore), a varios kilómetros de la costa, con el objeto de minimizar el impacto visual y, sobre todo, de aprovechar las mejores condiciones de viento al desaparecer el efecto negativo del relieve. (GAMESA, 2013)

27

Figura 2.14 Parque eólico offshore (REVE, 2013)

28

2.5.1 TURBINAS DE EJE VERTICAL

Las turbinas eólicas de eje vertical son utilizadas en instalaciones urbanas, presentan un tamaño compacto, son silenciosas y estéticamente atractivas. Los álabes se desplazan en planos paralelos a la dirección del viento, el diseño vertical está especialmente indicado para zonas con grandes turbulencias del viento.

A diferencia de turbinas de eje horizontal, no necesitan ser instaladas en columnas de gran altura y se elimina la necesidad de ajuste a la dirección del viento, debido a una simetría vertical de rotación. Esto las convierte en una buena opción para instalaciones sobre tejados y edificios. (BITEGUI, 2013)

Figura 2.16 Turbina tipo Darrieus (Wikipedia, 2013)

Turbinas tipo Daerrieus

29 necesidad de diseños complejos, permite velocidades superiores a las del rotor Savonius, aunque no alcanza las generadas por los modelos de eje horizontal, para su funcionamiento es necesario un sistema externo de arranque.

Turbinas tipo Savonius

Consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual sus dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una “S”; la parte cóncava capta el viento, ofreciendo a su parte convexa una menor resistencia al viento, por lo que girará en el sentido que menor resistencia presente. Se suele mejorar su diseño dejando un espacio entre ambas caras para evitar la sobre presión en el interior de la parte cóncava. Pueden construirse superponiendo varios elementos sobre el eje de giro.

No son útiles para la generación de electricidad debido a su elevada resistencia al aire, se suelen implementar en aplicaciones de índole mecánica.

30

Turbinas tipo Giromil

Consisten en palas verticales que cambian su orientación a medida que se produce el giro del rotor para aprovechar la fuerza del viento, éstas se encuentran unidas al eje por unos brazos horizontales, que pueden salir por los extremos del aspa e incluso desde su parte central.

Figura 2.18 Turbina Daerrieus Giromil (Solar, 2013)

2.5.2 TURBINAS DE EJE HORIZONTAL

Son aquellas cuyo eje de rotación está alineado con la dirección de la corriente del aire, los álabes se desplazan perpendicularmente a la dirección del viento y la velocidad de extremo del álabe es generalmente mayor que la velocidad del viento.

31 Los modelos de eje horizontal se clasifican a su vez por el número de palas empleado y por la orientación respecto a la dirección del viento, así se tienen:

Tripala

Es el modelo más utilizado actualmente para generación de electricidad, consta de tres palas que forman 120º entre sí. Presentan un giro suave y uniforme debido a las propiedades de su momento de inercia, lo que minimiza los esfuerzos sobre su estructura. Gira a menor velocidad que los aerogeneradores mono y bipala, lo que disminuye el nivel de vibraciones y la producción de ruido. (Blog sobre:Tipos de Energías, 2013)

Bipala

Reduce el peso y costo de material de una de las palas respecto a los aerogeneradores tripala, pero necesitan mayores velocidades de giro para producir la misma energía que aquellos. Para evitar el efecto desestabilizador se necesita de un diseño más complejo, que consiste en un rotor basculante y amortiguadores que eviten el choque de las palas contra la torre. (Blog sobre:Tipos de Energías, 2013)

32

Monopala

Tienen en mayor medida los mismos inconvenientes que los bipala, permiten una mayor velocidad de rotación, reducción de costos de material y masa, pero necesitan un contrapeso de compensación en el lado opuesto de la pala, por lo que el ahorro en peso no es significativo, existe un riesgo de desequilibrio aerodinámico y vibraciones con la aparición de cargas de fatiga. (Blog sobre:Tipos de Energías, 2013)

Orientadas a barlovento

Cuando el rotor se encuentra enfocado de frente a la dirección del viento dominante, consigue un mayor aprovechamiento de la fuerza del viento que en la opción contraria o sotavento, necesita un mecanismo de orientación que mantenga siempre el plano de giro de rotor orientado perpendicularmente a la dirección del viento. (Blog sobre:Tipos de Energías, 2013)

Figura 2.20 Aerogeneradores a barlovento y sotavento (Blog sobre:Tipos de Energías, 2013)

Orientadas a sotavento

33 dominante, la estructura de la torre y la góndola disminuyen el aprovechamiento del viento por el rotor, por consiguiente se genera una pérdida de potencia y un aumento de tensiones de fatiga. Las palas y la góndola son construidas con una mayor flexibilidad que en el caso de orientadas a barlovento. Pueden ser construidas sin un mecanismo de orientación, si el rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente. (Blog sobre:Tipos de Energías, 2013)

2.6 COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR

A continuación se describen los componentes más comunes encontrados en una turbina eólica.

Figura 2.21 Componentes de un aerogenerador (Blog sobre:Tipos de Energías, 2013)

1. Palas o álabes de la turbina eólica

2. Buje o cubo del rotor

34

4. Góndola (nacelle)

5. Equipos varios: caja multiplicadora, generador, control, etc.

6. Vista interior de la torre con la escalera de acceso a la góndola

7. Conjunto anemómetro – veleta

2.6.1 Rotor

Es el elemento que capta la energía del viento y la transforma en energía mecánica, se compone de tres partes fundamentales: los álabes, el eje, que transmite el movimiento giratorio de las palas al aerogenerador y el buje, que fija los álabes al eje. El diámetro del rotor determina la denominada "área de barrido" que es la superficie que dibuja el rotor perpendicularmente al flujo del viento. Un incremento de diámetro de rotor significa un incremento del área barrida y, por lo tanto, un incremento en la captura de la fuerza del viento.

2.6.2 Buje

Es la pieza de unión entre los álabes y el eje principal, se encarga de transmitir la fuerza del viento al interior de la góndola. (OPEX, 2013)

2.6.3 Góndola

35

2.6.4 Generador

El generador es una máquina eléctrica que convierte la rotación de un eje en una corriente eléctrica. Según el tipo de máquina, la corriente suministrada puede ser continua o alterna y dentro de esta última puede ser alterna monofásica o trifásica. Para este tipo de máquinas, los generadores más empleados son los de rotor de imanes permanentes, el campo magnético que se necesita para generar la corriente eléctrica es producido por los imanes que giran montados sobre el rotor. Esto es una ventaja ya que no se consume ningún tipo de energía para producir los campos magnéticos necesarios, además de evitar la utilización de bobinas giratorias, colectores y escobillas que sufren desgaste y precisan mantenimiento. (Quezada, 2013)

2.6.5 Caja Multiplicadora

Consiste en un mecanismo de engranajes o poleas conectado al rotor, éste se encarga de incrementar la velocidad de rotación del eje para alcanzar el número de revoluciones que necesitan los generadores y alternadores. Si la turbina no posee caja multiplicadora, la energía se transmite directamente al generador. (OPEX, 2013)

2.6.6 Controlador electrónico

36

2.6.7 Mecanismo de orientación

Se emplea el uso de una veleta que vigila la dirección del viento. Normalmente, la turbina sólo se orientará unos pocos grados cada vez que el viento cambie de dirección.

2.6.8 Torre

La torre es la estructura que soporta a una altura determinada el aerogenerador, su finalidad es la de conseguir un mayor aprovechamiento, pues a una mayor altura sobre el nivel del suelo mayor será la velocidad del viento, y por lo tanto, también la velocidad de rotación de las palas. Su diseño suele consistir en un tronco cónico o tubular hueco de acero, en cuyo interior se alojan los equipos accesorios de suelo y se facilita un acceso seguro mediante una escalera a la góndola, otra de alternativas que se implementan son las torres de celosía. (OPEX, 2013)

2.7 ÁLABES

Las palas o álabes son elementos de gran importancia, puesto que son los elementos de la turbina que reciben la fuerza del viento y se mueven gracias a su diseño aerodinámico, su tamaño depende de la tecnología empleada y de la velocidad del viento.

37

Figura 2.22 Álabe

El perfil de los álabes es similar al de las alas de los aviones, en aeronáutica se denominan perfiles alares o perfiles aerodinámicos y son contornos de forma curva, los mismos que al desplazarse a través del aire son capaces de crear a su alrededor una distribución de presiones que generen sustentación y esto se realiza mediante el principio de la fuerza de empuje: sobre la parte inferior del ala el viento pasa y genera una alta presión, mientras que por la parte superior se genera una baja presión. Esta fuerza, además de la fuerza de resistencia, provoca que el rotor gire. Los álabes son fabricados según los requerimientos del diseño con sus propias características. (Fugueredo, 2013)

2.7.1 Perfiles Aerodinámicos

38

2.7.2 Regiones de un perfil aerodinámico

A continuación se detallan las diversas regiones que posee un perfil aerodinámico, a fin de que puedan ser identificadas a lo largo del proyecto.

Línea de cuerda: Es una línea recta que une el borde de ataque y el borde de fuga o salida del perfil.

Cuerda: Es la longitud de la línea anterior. Todas las dimensiones de los perfiles se miden en términos de la cuerda.

Línea de curvatura media: Es la línea media entre el extradós y el intradós.

Curvatura máxima: Es la distancia máxima entre la línea de curvatura media y la línea de cuerda. La posición de la curvatura máxima es importante en la determinación de las características aerodinámicas de un perfil.

Espesor máximo: Es la distancia máxima entre la superficie superior e inferior.

Radio del borde de ataque: Es una medida del afilamiento del borde de ataque.

39

2.7.3 Efecto de Bernoulli

El Teorema de Bernoulli fue formulado en 1738 por el físico y matemático Daniel Bernoulli y describe que se produce una disminución de la presión de un fluido en movimiento cuando aumenta su velocidad.

Como se observa en la figura 2.24, el fluido que circula por la parte superior del álabe, recorre mayor distancia que el inferior en igual tiempo, éste posee mayor velocidad y menor presión por lo que existe una fuerza hacia arriba denominada sustentación. El teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminución de su presión.

40

2.7.4 Fuerzas en los perfiles aerodinámicos

El aire que fluye sobre un álabe con perfil aerodinámico origina dos fuerzas, una de sustentación o elevación (lift) y otra de resistencia al avance (drag).

Fuerza de sustentación (Lift)

La sustentación es la componente de la fuerza neta perpendicular a la dirección del fluido. Una fuerza de sustentación se produce conforme circula el aire sobre y bajo la superficie sustentadora.

Fuerza de Resistencia al avance (Drag)

Es la componente de la fuerza neta paralela a la dirección del fluido, tanto la sustentación como la resistencia son fuerzas mecánicas generadas por la acción de un sólido cuando se mueve a través de un fluido.

Figura 2.25 Fuerzas sobre un perfil aerodinámico (OLADE, 1983)

Para calcular las fuerzas de sustentación y de resistencia se plantean las siguientes ecuaciones:

(Sustentación)

41

Fuerza de Sustentación:

[2.24]

Dónde:

Fuerza de sustentación Coeficiente de sustentación = Densidad

Velocidad del viento Área

Fuerza de resistencia o arrastre:

[2.25]

Dónde:

Fuerza de arrastre Coeficiente de arrastre = Densidad

Velocidad del viento Área

Los coeficientes y se obtienen a través de ensayos medidos en túneles de viento, éstos están disponibles en las tablas de datos de cada perfil aerodinámico tomando en cuenta su ángulo de ataque y partiendo de dichos datos se procede al cálculo mediante iteraciones, lo que permite obtener un valor admisible para el diseño.

42

2.7.5 Ángulo de ataque

Es el ángulo agudo formado por la cuerda del álabe y la dirección de la velocidad relativa del viento.

La inclinación con la que se coloquen los álabes es fundamental para el funcionamiento del aerogenerador, debido a que de esto depende la magnitud de las fuerzas de sustentación y arrastre. Lo que se busca es seleccionar un ángulo de ataque que minimice la fuerza resistiva y predomine la fuerza de sustentación.

Figura 2.26 Ángulo de ataque (Aeronauticorner, 2009)

2.8 MODELO DE DISEÑO DE LOS ÁLABES

2.8.1 Método Blade Element Momentum

La teoría del Blade Element Momentum combina las teorías de los álabes y la teoría de impulso de Froude en las turbinas para la captación de energía a través del momento generado.

El principio del método de Blade Element Momentum (BEM) consiste en distribuir por secciones un álabe, de modo que cada sección se encuentre ubicada a una distancia y con un valor de cuerda específicos, las fuerzas de sustentación y arrastre en la

43 sección son equivalentes al cambio en la cantidad de movimiento del flujo que incide sobre el elemento. (Ingram, 2011)

Figura 2.27 Modelo de BEM (Ingram, 2011)

Figura 2.28 Ángulos en un álabe (Hansen, 2008)

Ecuaciones de los elementos del álabe

Las fuerzas que intervienen en un álabe se muestran en la figura 2.25 y corresponden a la sustentación y resistencia. Si se conocen los coeficientes de dichas fuerzas, se obtiene con respecto al plano de rotación el empuje (dT) y el par de fuerzas

44 (dM) en el elemento del álabe. Expresado en términos de coeficientes de sustentación y resistencia, las ecuaciones elemento del álabe para un radio r con B número de álabes cada uno con segmentos de cuerda c y longitud del dr se plantean a continuación:

[2.26] [2.27]

Dónde:

Rotación del empuje Momento

= Densidad

Velocidad del viento Número de álabes Cuerda del álabe

Coeficiente de sustentación Coeficiente de arrastre Ángulo de flujo

Radio de sección

Ecuaciones de Momento

Son expresiones alternativas para el momento y empuje que se definen considerando los efectos de impulso. La fuerza de empuje es la velocidad de cambio de la cantidad de movimiento, por lo que se tiene:

[2.28]

Dónde:

45 Velocidad del viento

Radio del rotor

Factor de inducción axial Radio de sección

Del mismo modo, el momento es la variación del momento angular:

[2.29]

Dónde:

Momento = Densidad Radio del rotor Velocidad del viento Factor de inducción axial

Radio de sección

Combinando las ecuaciones de momento y elementos del álabe, y pueden eliminarse dando como resultado dos ecuaciones con tres incógnitas: y . Dichas incógnitas pueden expresarse en una tercera ecuación en función de la relación de velocidad en la punta de álabe y el radio en cada sección.

[2.30]

Dónde:

Radio del rotor Velocidad del viento Número de álabes

46 Factor de inducción tangencial

Ángulo de flujo Radio de sección Velocidad Rotacional

Cuando las cuatro ecuaciones estén combinadas con la ecuación 2.28 se obtendrán las siguientes expresiones definidas para cada sección:

[2.31]

[2.32]

Dónde:

Solidez local

Definida por la siguiente expresión (Ingram, 2011)

[2.33]

Dónde:

Número de álabes Cuerda de sección Radio del Rotor

Teoría Óptima Para El Rotor

47 [2.34]

Dónde:

Radio del rotor Número de álabes Ángulo de paso

Radio de sección

Coeficiente de sustentación TSR de sección

La distribución del álabe por secciones asegura que cada elemento del álabe tenga un ángulo de ataque que corresponde a su elevación máxima a la relación de arrastre. Esto se calcula mediante la evaluación del ángulo de flujo en cada sección:

_{( ) [2.35]}

Dónde:

Ángulo de flujo por sección TSR de sección

2.8.2 FLUIDOS

Flujo Laminar

48

Flujo Turbulento

El flujo presenta un movimiento desordenado, existe mezcla del fluido debido a que la velocidad en cada punto no es constante. La velocidad presenta una fluctuación en el tiempo produciendo una alta disipación de energía. (Mott, Mecánica de Fluidos Aplicada, 1996)

Turbulencia

La turbulencia es el estado de un fluido en el que las velocidades de las partículas muestran fluctuaciones irregulares y aleatorias, estos flujos irregulares producen cambios repentinos en la trayectoria y pérdidas en la sustentación. (ONI, 2013)

Clasificación

El aire, a veces, forma remolinos inesperados llamados turbulencias, las cuales, según su origen se clasifican en:

Turbulencia Mecánica: Se debe a los rozamientos del aire con las irregularidades del terreno; predomina, por tanto, en las capas inferiores. (ONI, 2013)

Turbulencia Térmica: Debida a una inestabilidad térmica del aire. Suele predominar en las altitudes medias. (ONI, 2013)

Turbulencia en Meteorología

49

Figura 2.29 Efectos de flujos laminar y turbulento en función del incremento del ángulo de ataque.

(GURIT, Wind Turbine Blade Aerodynamics, 2014)

2.9 VARIABLES AERODINÁMICAS

Viscosidad

Al considerar la deformación de dos fluidos newtonianos diferentes, se encontrará que se deforman con diferente rapidez para una misma fuerza cortante. Se dice entonces que es mucho más viscoso el fluido que presente una mayor resistencia a la deformación.

La viscosidad es una manifestación del movimiento molecular dentro del fluido. Las moléculas de regiones con alta velocidad global chocan con las moléculas que se mueven con una velocidad global menor, y viceversa. Estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido a otra. Ya que los movimientos moleculares aleatorios se ven afectados por la temperatura del medio, la viscosidad resulta ser una función de la temperatura.

Número de Reynolds

50 [2.36]

Dónde:

Número de Reynolds = Densidad

Velocidad del viento

= Longitud descriptiva del campo del flujo = Viscosidad cinemática del aire

= Velocidad relativa del perfil

El comportamiento de un fluido depende del flujo laminar o turbulento.

Todos los perfiles poseen un número de Reynolds crítico y para los más convencionales como NACA es alrededor de 105. (OLADE, 1983)

Capa Límite

Es la zona existente alrededor de un cuerpo que se desplaza por un fluido en la cual la velocidad del fluido respecto al cuerpo varía desde cero hasta el 99% de la velocidad de la corriente exterior. Dependiendo del movimiento del fluido esta puede ser laminar o turbulenta.

51

Figura 2.30 Variación de flujo laminar en un perfil aerodinámico (Aeronaves y vehículos espaciales, 2013)

2.10 MATERIALES

Usualmente los álabes de los aerogeneradores eran construidos con madera, madera y resina epóxica o madera, fibra resina epóxica, sin embargo actualmente dichos materiales han sido reemplazados por la utilización de plásticos y concretamente de materiales compuestos. En particular existe una tendencia clara hacia el uso de materiales como la fibra de vidrio-poliéster y fibra de vidrio epoxy, apareciendo también álabes de laminados madera epoxy, que han demostrado también tener buenas características a la fatiga.

NACA 4112

Flujo laminar α =10˚

52 Al fabricar los álabes se busca tener una estructura resistente la misma que debe ser reforzada con los materiales mencionados anteriormente. La fibra de carbono es empleada también como material de refuerzo, pero representa un costo mayor, sobre todo en grandes aerogeneradores.

Figura 2.31 Soluciones constructivas de los álabes (Raquel Gálvez Román , 2013)

El aluminio y aleaciones de acero son muy pesados y vulnerables a la fatiga, es por esto que dichos materiales se emplean en turbinas eólicas muy pequeñas. (Curso de Energía Eólica, 2014)

53

Figura 2.32 Soluciones constructivas de los álabes II (Raquel Gálvez Román , 2013)

2.11 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El viento es una fuente de energía limpia, sostenible e inagotable, y la transformación de su energía cinética en energía eléctrica consiste en que el viento pase sobre las aspas del aerogenerador provocando una fuerza giratoria. Las palas hacen rodar un eje ubicado en el interior de la góndola, el mismo que generalmente ingresa a una caja de cambios. La caja de cambios incrementa la velocidad de rotación del eje proveniente del rotor e impulsa el generador que utiliza campos magnéticos para convertir la energía rotacional en energía eléctrica para su posterior consumo o almacenamiento.

La mayoría de turbinas generan electricidad desde que el viento logra una velocidad de entre 3 y 4 m/s, y ascienden a una velocidad de 15 m/s, se desconectan para prevenir daños cuando hay tormentas con vientos que soplan a velocidades superiores a 25 m/s.

54 para asegurar que se extrae la cantidad óptima de energía a partir del viento. La información puede ser almacenada y transmitida a un centro de control. (EOLICCAT, 2013)

2.12 TURBINA CON DIFUSOR DAWT

Son turbinas empleadas para la optimización del recurso eólico, utilizan un difusor sobre turbinas de eje horizontal, con el objetivo de incrementar la producción energética, disminuyendo el gran tamaño de sus álabes.

Figura 2.33 Turbina tipo DAWT (Diffuser Augmented Wind Turbine) (Electro Heinl Solar, 2013)

Como se mencionó anteriormente el valor máximo de eficiencia que alcanza una turbina eólica ideal se denomina Límite de Betz y corresponde a un valor de 0,593, al emplear un difusor alrededor de las turbinas dicho factor puede superarse.

Existe una relación entre el coeficiente de potencia y el flujo másico (Mongua, García, & Giraldo Orozco) (Vries, 1978)

̇

55

Dónde:

= Coeficiente de potencia con difusor

Coeficiente de potencia ̇ = Flujo másico con difusor ̇ Flujo másico

La ecuación 2.37 representa un incremento en el coeficiente de potencia de la turbina con difusor proporcional al incremento de flujo másico de la misma turbina sin difusor, es decir que se puede obtener un incremento del coeficiente de potencia como consecuencia del aumento de flujo másico, en este caso debido a la inclusión de un difusor.

A continuación se presenta una relación específica del coeficiente óptimo posible partiendo de un difusor ideal (Vries, 1978):

√ [2.38]

[2.39]

Dónde: Área

Área de salida

Área de la garganta del difusor

Para el caso de un difusor ideal el valor de la relación de áreas será de 2.

Bajo la ecuación 2.36 se tiene:

56 Al implementar un difusor en un generador eólico de eje horizontal, se puede obtener el 76,9% de eficiencia.

Figura 2.34 Flujo en una turbina DAWT-Difusor Ideal (Dorst, 2011)

2.13 Ventajas y Desventajas

Ventajas

 Coste energético estable: Una vez realizada la inversión los aerogeneradores pueden trabajar muchos años con un rendimiento apropiado y un correcto mantenimiento.

 Instalaciones ampliables: Se puede incrementar el número de aerogeneradores si las condiciones del terreno y la necesidad de electricidad lo permiten.

 Desarrollo Rural: Se pueden colocar pequeños aerogeneradores para abastecer de electricidad a viviendas o comunidades sin recursos energéticos.

 Contribución a la disminución del consumo de combustible fósiles: Se reducen las emisiones de CO2 a la atmósfera, y se

frena el calentamiento de la tierra.