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Proyecto eólico


calculo de aerogeneradores
Se nos pide producir la mayor potencia posible, lo cual para nosotros es equivalente a producir la mayor cantidad de energía cinética rotacional con nuestro dispositivo, la cual se calcula de la siguiente manera:

Por lo tanto para maximizar esta ecuación tenemos que tratar de hacer crecer el momento de inercia I junto con la velocidad angular w. Ambas variables serán función de la geometría de la geometría de nuestra hélice.
Algunas variables de la geometría son las siguientes:

1) Área de barrido: Es el numero de aspas multiplicado por el área proyectada de cada aspa en el plano perpendicular al flujo de viento.
2) Distribución del área en cada aspa: Como por ejemplo:
- Uniforme a lo largo de toda el aspa,
- Con mayor área en la punta del aspa el cual genera un mayor momento de inercia,
- Con mayor área cerca del eje,
3) Angulo de ataque, a lo largo de todo el perfil, el cual puede ser constante, o ir variando a lo largo del aspa dando la apariencia de un aspa torcida.


Como son muchas las variables a considerar, nos limitaremos a un estudio empírico del prototipo. Enfrentaremos varios tipos de hélices diferentes a un mismo flujo de viento proveniente de un ventilador, para observar la combinación de las variables anteriores que mejor optimice la energía rotacional que produce el sistema.

Por otro lado, vamos a probar sólo hélices de eje horizontal, ya que la principal ventaja de una de eje vertical, es que es capaz de captar el flujo de aire proveniente de cualquier dirección para mover las aspas, pero en este caso, nos enfrentamos a viento unidireccional, proveniente de un ventilador posicionado en la dirección del eje. Por lo tanto, el eje horizontal optimiza la producción de energía a partir del movimiento de la hélice por efecto del flujo de aire que pasa por ella.

energia eolica casera
Para nuestras pruebas usamos un ventilador de tres aspas, de 11.5 cm de radio.


Las hélices que probamos son las siguientes:

1. Hélice pequeña de 2 aspas:
- Material: PVC.
- Radio (largo de cada aspa): 7.6 cm.
- Peso: 2 grs. (aprox.)

Esta hélice, al igual que todas las demás, la probamos a diferentes distancias del ventilador. Esta hélice se comportaba muy similar en todas las distancias. Su baja masa, hace que adquiera muy alta velocidad incluso estando lejos del ventilador. Pero a su vez, como sus dimensiones geométricas son muy pequeñas, su momento de inercia también lo es y no tiene un aporte significativo sobre la energía rotacional que produce.

energia eolica domestica

2.

Hélice grande de 2 aspas:
- Material: PVC.
- Radio: 19 cm.
- Peso: 16 grs.

Esta hélice, al igual que la anterior, se comportaba muy bien a cualquier distancia, alcanzando velocidades similares a la anterior, perceptiblemente altas. Al tener una mayor área de barrido, asumimos que generará una mayor energía rotacional. Aún así se podrían tomar medidas para optimizar su funcionamiento, como agregarle más aspas que le den más fuerza al sistema.

Para optimizar esta hélice, se podría construir una similar pero de tres aspas en vez de dos y ensanchar las aspas.

aspa energia eolica

3. Hélice grande de 6 aspas:
- Material: PVC.
- Radio: 15 cm.
- Peso: 123 grs.

Esta hélice, es notablemente más pesada que las anteriores y, la velocidad que alcanza depende, de manera evidente, de la distancia a la que se encuentra del ventilador.
Su geometría y masa considerablemente mayores a las hélices anteriores, le proporciona un momento inercial bastante grande, que aporta de manera significativa a la energía rotacional generada por su giro.
Al estar cerca del ventilador, alcanza muy altas velocidades, similares a las de las hélices anteriores, pero a medida que se aleja, la velocidad disminuye. Si la distancia es menor a 40 centímetros, nos convendría usar ésta, debido a la poca diferencia de velocidades frente a la gran diferencia en la inercia.
Se han considerado posibles cambios que optimicen el funcionamiento de esta hélice. Por ejemplo, transformarla en una de tres aspas, cortando las otras tres, para reducir el peso y aumentar la velocidad.
helice energia eolica
Esta hélice, la sacamos del ventilador de una secadora de ropa.

Análisis de Conceptos alternativos
Para nuestro proyecto debemos analizar todo tipo de alternativas para poder llegar a la mejor solución, a la mejor alternativa para poder generar la mayor cantidad de potencia con el dispositivo.
Existen diferentes diseños de aspas en los sistemas eólicos, e incluso existen algunos que tienen el eje de rotación paralelo a la dirección del viento, existen algunos que ni siquiera tienen aspas. Por esta razón tenemos que hacer un análisis detallado de cada uno de los componentes de cada modelo para poder lograr el objetivo de la mejor manera posible.
Primero tenemos que ver cuáles son las características que tiene que tener nuestro modelo para generar la mayor cantidad de potencia.
Tenemos que saber que el rotor de nuestra turbina eólica tiene que frenar el viento con sus aspas para así transformar su energía cinética en energía rotacional o mejor dicho en un momento torsor en el eje del dispositivo..
La potencia desarrollada por nuestro modelo va a depender de la densidad del aire “d”, del área de barrido del rotor, “A”, y de la velocidad del viento “v”.
Podemos ver que la energía cinética de una masa de aire “m”, moviéndose a una velocidad “v”, corresponde a la siguiente expresión:
potencia eolica

Siendo “V” el volumen del aire, y “d” la densidad, la ecuación nos queda:
energia eolica calculo

La cantidad de aire que llega a nuestro dispositivo en un tiempo “t”, va a depender del área que barren las aspas “A” y de la velocidad de viento “v”:
calculo del viento
Por lo tanto la energía cinética que aporta el aire al rotor en un tiempo “t” será:

calculo energia rotor

Y la potencia aportada al rotor:
calculo potencia rotor
Por lo tanto, como en este proyecto la densidad del aire va a ser relativamente la misma y no la podemos controlar, y la velocidad del viento va a ser fija y constante para todos los grupos, de lo que nosotros nos tenemos que preocupar es del área que van a barrer nuestras aspas. Mientras mayor sea el área de barrido, mayor va a ser la potencia que va a entregar nuestro dispositivo.
Juntando todos los modelos disponibles podemos dividirlos en 2 tipos, los de eje horizontal y los de eje vertical .El primer a analizar es el modelo convencional de eje horizontal, el que podemos apreciar camino al norte de nuestro país.
generador eje horizontal
Generador de eje horizontal de 3 aspas

Este modelo tiene la gran ventaja de que está muy explorado, que lo han analizado por todos lados y esta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias. Son aquellos que tienen su eje de rotación perpendicular a la dirección del viento y son capases de orientarse según de donde venga el viento. La velocidad de rotación de este sistema está limitada por la velocidad de la punta del aspa.
Este modelo puede tener variaciones, como por ejemplo tener 1 aspa, 2 aspas, o muchas aspas. El hecho de tener muchas aspas hace que la hélice le haga más resistencia al viento por lo tanto que transforme más energía cinética en energía rotacional. Pero el tener más aspas también tiene una desventaja, que es que va a tener un peso mayor y es más difícil que se mueva la hélice. Por los tanto, si optamos por la alternativa de eje horizontal, vamos a tener que hacer pruebas experimentales para ver cuántas aspas es el óptimo para este proyecto.

A continuación podemos ver los distintos tipos de generadores eólicos con eje horizontal:
generadores eje horizontal
Generador de eje horizontal de 6 y 9 aspas

Los otros sistemas son aquellos en los que su eje de rotación se encuentra perpendicular al suelo (Generadores Eólicos de eje Vertical). Las ventajas de este tipo de dispositivos es que no necesitan un mecanismo para orientarse según la dirección del viento, y no necesitan torre para estar en altura, pueden estar más bajos. Pero esto también les trae problemas porque la velocidad del viento es menor a la altura del suelo. Algunos de estos generadores tienen un mayor coeficiente de potencia que los de eje horizontal, muy cercano al límite teórico de Betz[1] (59,26%), en comparación con los de eje horizontal que solo absorben el 40% de la energía cinética del viento.
Para efectos de nuestro diseño, el viento va a ver constante y siempre de la misma dirección, por lo tanto no vamos a tener el problema de tener que orientar el generador, por lo tanto esta gran ventaja de los de eje vertical es para nosotros algo irrelevante. Pero aún así hay que tomar en cuenta estos diseños porque son más eficientes que los de eje horizontal.
A continuación podemos ver los distintos tipos de generadores eólicos con eje vertical:

generador eje vertical
Generador de eje vertical con rejillas


aerogenerador vertical
Generador de eje vertical de paletas
aspas energia eolica

Selección de modelos
Ya conocidas las características principales de los distintos tipos de generadores eólicos existentes podemos tener una idea de cómo va a ser nuestro modelo. Seleccionamos 4 diseños, 2 de eje vertical y 2 de eje horizontal:
Generador de eje Horizontal de 3 aspas
Generador de eje Horizontal de más aspas
Generador de eje Vertical con rejillas
Generador de eje Vertical Savonius
Elegimos estos modelos por diferentes razones. El primero fue elegido porque creemos que tiene que haber una razón por la que este modelo es el que se ha impuesto en la tecnología de generación eólica, por lo tanto nos sentimos obligados a probarlo. Puede ser que para efectos de nuestro proyecto 3 aspas no resulte lo más eficiente, por eso elegimos el segundo modelo, el cual será una adaptación del primero.
Los de eje vertical son realmente un misterio, pero la teoría nos dice que hay algunos que son más eficientes que los de eje horizontal (Generador con Rejillas). Por lo tanto decidimos probar ese modelo y el Savonius para ver cómo se comportan.

Materiales
El dispositivo no solo tiene que generar potencia, sino que también tiene que estar preparado para situaciones extremas, por lo que vamos que tener que someter la aspas a pruebas de fallas de deflexión. Por lo tanto no podemos usar cualquier material. Aparte de esto, tenemos una restricción que dice que tenemos que usar materiales de desecho y que no podemos exceder los $10.000 pesos.
El primer material que se nos vino a la cabeza fue “madera de balsa”, el cual es muy bueno porque es liviano, pero el problema que tiene es que puede no soportar las pruebas de deflexión.
En segundo lugar pensamos en alguna especie de “Plástico” (plástico de botella), el cual es muy fácil de conseguir en desechos, es liviano, y creemos que puede soportar las pruebas de deflexión.
También podría ser de “fibra de vidrio”, el cual es muy resistente, pero es difícil de encontrar en desechos, y puede ser que se nos vaya muy lejos en el presupuesto.

[1] Las leyes de la física nos impiden que se pueda extraer el 100% de la energía eólica, y según Betz solo el 59,26% de la energía cinética del viento se puede transformar en energía mecánica rotacional

Especificaciones y Metas
Nuestro diseño tiene que ser innovador, creativo, y solo usando materiales de descarte, tenemos que tratar de lograr un máximo rendimiento complementado con un peso relativamente bajo.

Descripción del Escenario y del Producto
Nuestro generador eólico se tiene que adosar a una barra con uniones apernadas, y estar posicionado a una distancia mínima fija de un ventilador el cual nos proveerá el viento que nosotros queremos transformar en Potencia (torque y velocidad). A continuación tenemos un esquema en donde se pueden ver las condiciones a las cuales va a estar expuesto nuestro generador eólico.
esquema generador eolico

Aparte de tener que generar Potencia, nuestro generador eólico tiene que estar preparado para situaciones extremas, por lo que vamos a tener que someterlo a pruebas de fallas de deflexión de aspas y de barra, y a pruebas de inestabilidad en ciertos puntos de la barra.

Como mencionamos anteriormente, nuestro producto tiene que someterse a diferentes tipos de situaciones, ambientes y tiene varias restricciones que seguir, por lo que la sección de materiales y la definición de la geometría del producto tiene que ser un proceso detallado, en el cual se tienen que plantear diferentes alternativas, para poder llegar al diseño óptimo que cumpla con nuestro objetivo.

Para desarrollar nuestro dispositivo debemos tomar en consideración muchos factores que por muy sutiles que parezcan, pueden hacer grandes diferencias a la hora de operar nuestro generador.

Normalmente los generadores eólicos se utilizan para producir energía eléctrica, pero también se pueden usar para diversos usos, un ejemplo muy común del uso de la energía eólica es el de las bombas de agua para pozos que hasta el día de hoy se ven en sectores rurales del país.

Nosotros no acotaremos nuestro proyecto a la energía eléctrica dada la baja eficiencia de transformación de energía que obtendremos en la práctica al transformar la energía mecánica, pero sí tomaremos consideraciones en nuestro diseño que permitan extrapolar nuestro producto a una mayor escala o al uso en generación eléctrica.

La velocidad del viento es en la inmensa mayoría de los casos poco constante, esto va directamente relacionado con la rapidez del giro de las aspas. Esta rapidez es de vital importancia ya que la corriente que se genera, de ser alterna, tiene su frecuencia directamente ligada a la velocidad con que gira la bobina del generador dentro del campo magnético y su usabilidad depende de una frecuencia lo más constante posible y en los rangos de operación acordes al país donde se encuentre. Para controlar la velocidad, en grandes escalas, se utilizan sistemas de embriagues y cajas de velocidades, pero en un mecanismo que busca ser simple, liviano y confiable, tenemos 2 alternativas:

Aspas de paso variable: Se regula el ángulo de ataque de las aspas, sacrificando torque en pro de velocidad y viceversa. De esta manera se puede bajar la velocidad e incluso si se trata de generadores con campos magnéticos variables, se podría aumentar la capacidad generadora de los mismos.

Aspas de material inteligente: Dada la simpleza de esta alternativa su costo es bastante menor a las otras opciones. Consiste en aspas cuya forma se vaya adaptando por acción del mismo viento que las mueve, es decir, son deformables y con vientos muy fuertes estas pasan a tener una forma poco eficiente haciendo que mantengan una velocidad controlada.

Otro tema que también hemos considerado es buscar una hélice cuya velocidad de giro sea la apropiada para convertir directamente la energía mecánica en otra. Sabemos que a mayor área de intercambio con el viento, es decir, más aspas o aspas más grandes, mayor es torque y menor es la velocidad. También se conjuga el momento de inercia de las aspas. Es por esto que si el mecanismo de medición de nuestra potencia entregada por el dispositivo es de carácter mecánico (mover un objeto y generar trabajo, comprimir un resorte, levantar un objeto, etc.) nos interesará principalmente el torque y no la velocidad, en cambio si buscamos generar electricidad o por ejemplo bombear agua, si nos interesa la velocidad, es decir aspas más pequeñas, que giren más rápido.

Nos quedaremos con la primera opción: varias aspas y con una superficie de intercambio con el viento importante. Junto con una distribución de peso en las aspas que permita el giro constante aunque el viento varíe un poco, es decir, un momento de inercia lo suficientemente pequeño para que la hélice comience su movimiento, pero lo más grande posible para que la hélice no se detenga fácilmente.

Fuente: http://grupoeolico.blogspot.com
Integrantes del proyecto
Montt, Alfonso
Rojas, Mario
Ruiz - Tagle, Pablo
Valdivieso, Maria Josefina


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