reporte aerogenerador vertical

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17/08/2015

Diseño y construcción de un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius

Resumen.La gran mayoría de los sistemas energéticos utilizan recursos no renovables para la generación de energía eléctrica, lo que con el paso del tiempo, ha ocasionado graves daños a nuestro entorno. Como solución al incremento en la demanda de energía, se ha planteado la generación de energía a partir de recursos renovables, como en este caso, el recurso eólico. Este trabajo presenta el diseño y construcción de un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius desarrollado para el aprovechamiento del potencial eólico de la zona.

Abstract.The majority of non-renewable energy systems used for power generation resources, which over time, has caused serious damage to our environment. As a solution to the increase in energy demand, it has raised the generation of energy from renewable resources, as in this case, the wind resource. This paper presents the design and construction of a vertical axis wind turbine Savonius type developed for exploiting the wind potential of the area.

Página 1Programa de Ingeniería en Energía

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Contenid

o

I. Introducción.....................................................................................................2

II. ANTECEDENTES.............................................................................................3

III. MARCO TEÓRICO.........................................................................................5

3.1 Energía Eólica...............................................................................................5

3.2. Aerogeneradores.........................................................................................6

3.3. Aerogenerador de eje vertical..................................................................6

3.3.1. Darrieus...............................................................................................7

3.3.2. Savonius..............................................................................................7

3.4. Ventajas de aerogeneradores de eje vertical......................................8

3.5. Componentes de un aerogenerador........................................................8

3.6. Generación Eléctrica....................................................................................9

IV. METODOLOGÍA..........................................................................................10

4.1. Materiales....................................................................................................12

V. RESULTADOS................................................................................................12

VI. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES............................................................14

VII. REFERENCIAS............................................................................................14


I. INTRODUCCION

La energía eólica, transformada en energía mecánica ha sido históricamente aprovechada, pero su uso para la generación de energía eléctrica es más reciente, existiendo aplicaciones de mayor escala desde mediados de la década del 70 en respuesta a la crisis del petróleo y a los impactos ambientales derivados del uso de combustibles fósiles.

Es necesario el continuo desarrollo de la generación eléctrica mediante fuentes de energía renovable, por ello es preciso involucrarse en el diseño y construcción de aparatos de generación eléctrica para entender mejor su funcionamiento y seguir desarrollando tecnología capaz de aprovechar cada vez más el recurso renovable existente.

II. ANTECEDENTES

El viento es una fuente de energía gratuita, limpia e inagotable. Ha sido ocupada desde siglos para impulsar barcos y mover molinos; para bombear agua y moler trigo.

Aunque el aprovechamiento de la energía eólica data de las épocas más remotas de la humanidad (los egipcios ya navegaban a vela en el año 4.500 [a.C.]), la primera noticia que se tiene sobre el uso del viento mediante un molino proviene de Herón de Alejandría que construyó una estructura en el siglo 2 [a.C.] para proporcionar aire a su órgano.

Los molinos más antiguos, pertenecientes a la civilización Persa en el siglo 7 [d.C.], eran de eje vertical y se utilizaban para la molienda y bombeo de agua (figura 1).

Figura 1: Antiguo molino Persa (7 d.C.) de eje vertical.

Posteriormente, a partir del siglo XIII, los molinos aparecieron y se extendieron por toda Europa, sobre todo en Bélgica y los Países Bajos. Los molinos de Holanda tienen 4 aspas de lona, mientras que los de Baleares y Portugal tienen 6 y los de Grecia 12.


El desarrollo de los molinos de viento se interrumpe con la revolución industrial. Se hace masiva la utilización del vapor, aparece la electricidad y los combustibles fósiles como fuentes de energía motriz. Es, sin embargo, en la segunda mitad del siglo XIX cuando tiene lugar uno de los más importantes avances en la tecnología del aprovechamiento del viento: la aparición del popular modelo “multipala americano”. Este modelo, utilizado para bombeo de agua prácticamente en todo el mundo, habría de sentar las bases para el diseño de los modernos generadores eólicos.

El primer aerogenerador capaz de generar corriente continua fue fabricado por Charles Brush en los años 1886-87 (ver figura 2). Tenía un rotor de 17 [m] de diámetro y estaba constituido por 144 palas de madera (multipala americano). Podía generar hasta 12[kW] de potencia.

Figura 2: Primer aerogenerador capaz de generar corriente continua.

Si se analiza la evolución del aprovechamiento de la energía eólica en el mundo a partir de la revolución industrial, entre la segunda mitad del

siglo XVIII y principios del siglo XX, se desprende que el interés de los distintos gobiernos por este tipo de energía, ha estado íntimamente ligado a crisis bien definidas de energía convencional, ya sea por dificultades de aprovisionamiento de combustible o por el incremento de los precios del petróleo, que inspiran temor al desabastecimiento energético y estimulan el interés por la energía eólica.

Durante las primeras décadas del siglo XX, se desarrolla la teoría de la aerodinámica, permitiendo comprender la naturaleza y el comportamiento de las fuerzas que actúan alrededor de los álabes de las turbinas. Los mismos científicos que la desarrollaron para usos aeronáuticos Joukowski, Drzewiechy y Sabinin en Rusia; Prandtl y Betz en Alemania; Constantin y Enfield en Francia, entre otros, establecen los criterios básicos que debían cumplir las nuevas generaciones de turbinas eólicas y otras ciencias de carácter técnico, lo que origina que las máquinas eólicas sufran una completa transformación (Figura 3).


Figura 3: Comparación entre el modelo antiguo y los nuevo aerogeneradores actuales.

Una de las primeras máquinas eólicas construida expresamente para producir electricidad (aerogenerador) data del año 1892 y su diseño fue realizado por el profesor Lacour en Dinamarca. Esta máquina es la antecesora de los actuales generadores eólicos, su potencia oscilaba entre los 5 y 25kW. Después de la crisis que dejaron la Primera y Segunda Guerra, fueron innumerables los trabajos realizados sobre plantas eólicas de gran potencia y aerogeneradores en Europa y USA, centrando los programas eólicos su interés en aspectos diferentes, como la evaluación de los recursos

disponibles, obtención y tratamiento de datos meteorológicos, elaboración de mapas eólicos y el cálculo, diseño y construcción de plantas de gran potencia.

A partir de la segunda mitad del siglo XX hasta nuestros días se han producido importantes modificaciones de carácter técnico, por lo tanto el uso de los sistemas eólicos y solares se incrementa a medida que se utilizan materiales más ligeros y resistentes, y aparecen herramientas informáticas tales como el cálculo con elementos finitos, programas de automatización y control, de diseño asistido por computadora, entre otros, con los cuales se pueden visualizar prototipos en 3D de los modelos de sistemas a realizar y verificar su funcionamiento.

III. MARCO TEÓRICO

3.1 Energía Eólica

La energía eólica es un tipo de energía renovable o energía limpia. Se considera energía renovable aquella energía que se obtiene de recursos o fuentes naturales considerados inagotables, ya sea por la gran cantidad de energía que se puede producir a partir de ellos o porque son capaces de regenerarse

por medios naturales. La energía eólica es generada a partir de la energía cinética del viento y las corrientes de aire. Su origen se encuentra en la existencia de masas de aire, sobre la tierra, a diferentes temperaturas, originadas por diferentes intensidades de radiación solar, a nivel global o local, las cuales producen corrientes ascendentes y descendentes, formando anillos de circulación del aire.


La energía eólica presenta numerosas ventajas, entre las más importantes están: Es renovable, ya que tiene su origen en procesos atmosféricos y se renueva de forma continua.

Es limpia, ya que no requiere combustión y por lo tanto no produce emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes.

Puede instalarse en zonas rurales o urbanas.

Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la solar, permite la auto alimentación de viviendas.

Es un tipo de energía sostenible, posee la capacidad de reemplazar fuentes energéticas tradicionales, ya sea por su enorme posibilidad de renovación o por su menor efecto contaminante. La captación de la energía eólica se proyecta mediante el uso de máquinas motrices. La transformación de la energía captada a la forma que se requiere, se realiza por medio de convertidores adecuados debidamente a la máquina eólica. Las teorías generales y particulares del comportamiento de las turbinas eólicas fueron desarrolladas a partir de las máquinas medievales. A continuación se exponen algunos cambios que han tenido las máquinas eólicas, durante el paso de los años.

3.2. Aerogeneradores

Los aerogeneradores, también llamados generadores eólicos o turbina eólica, conceptualmente, es igual a cualquier otra turbina, solo que aquí el fluido que impacta sobre los álabes del elemento giratorio es el aire en movimiento, el viento. Esta máquina o dispositivo convierte en electricidad la potencia eólica, es decir, convierte energía mecánica en energía eléctrica.

De acuerdo en cómo captan la potencia eólica, a su geometría, por la disposición del eje de rotación, entre otros, los generadores eólicos se dividen en diferentes grupos, eje horizontal y eje vertical. Enfocándonos en nuestro proyecto, nos limitaremos a los aerogeneradores de eje vertical.

III.3. Aerogenerador de eje vertical

La característica principal de los molinos de eje vertical es que no requieren de sistemas de orientación. Ventaja nada despreciable pues evita complejos mecanismos de direccionamiento y elimina los esfuerzos a que se ven sometidas las palas ante los cambios de orientación del rotor. Por su disposición permite colocar los sistemas de conversión prácticamente a nivel de suelo,


evitando pesadas cargas en las torres, como ocurre en los de eje horizontal.

Existen dos diseños básicos de rotores de eje vertical: Savonius y Darrieus.

III.3.1. Darrieus

Patentadas por G. Darrieus el año 1931 y desarrolladas luego por el Laboratorio Sandia en los años 70. Están formados por dos o tres palas de forma ovalada de perfil aerodinámico y tienen características parecidas a las de eje horizontal (ver figura 4), presentando un par de arranque muy pequeño. Los laboratorios Sandia construyó en 1974 un primer prototipo de 5 m de diámetro Su potencia es pequeña y aunque su aplicación es similar a los aerogeneradores rápidos de eje horizontal, están poco implantados.

Figura 4. Aerogenerador vertical tipo Darrieus.

Son actualmente los principales competidores de los de eje horizontal de palas aerodinámicas para la generación de electricidad. Las

fuerzas dominantes son las de sustentación, tienen un par de arranque prácticamente nulo, pero entregan potencias altas por unidad de peso del rotor y por unidad de costo. El diseño original de palas curvadas a dado origen a otras configuraciones, tratando de mejorar algunas características constructivas u operacionales. Tal es el caso de la combinación con rotores Savonius para aumentar el par de arranque.

III.3.2. Savonius

Patentada por el finlandés Sigurd Savonius en 1922. Su principal ventaja consiste en trabajar con velocidades de viento muy bajas. Se compone de dos semicilindros de igual diámetro situados paralelamente al eje vertical de giro, en el diseño original estaban separados una pequeña distancia el uno del otro. La fuerza que el viento ejerce en las caras de los cilindros (cara cóncava y cara convexa) es distinta, por lo que las hace girar alrededor del eje (figura 5). Este sistema presenta buenas características aerodinámicas para el autoarranque y la autorregulación. Su campo de aplicación está en la producción autónoma de electricidado el bombeo de agua.


Figura 5: Aerogenerador vertical tipo Savonius.

Trabaja esencialmente por arrastre, tiene un alto par de arranque pero su eficiencia es pobre. Por su sencillez y bajo costo es fácil de construir con técnicas artesanales. Se los emplea en aplicaciones que requieren potencias pequeñas como es el caso de los extractores de aire en grandes edificios industriales o depósitos y en bombeo de agua.

III.4. Ventajas de aerogeneradores de eje vertical

No necesitan grandes inversiones porque sus dimensiones pueden ser pequeñas y no exigen una torre potente o equipamientos como los de eje horizontal. Su instalación y mantenimiento es sencillo, y se pueden ubicar en cualquier lugar, tanto en el suelo como en un tejado o azotea.

Aprovechan mejor los vientos turbulentos y de baja altura, así como las irregularidades del terreno, que incrementan la velocidad del viento. Los edificios lo re direccionan hacia arriba y pueden llegar a doblar su velocidad, la cual turbina aprovecha.

Funcionan de manera silenciosa, algo indispensable en lugares habitados, tanto urbanos como rurales. A diferencia de los de eje horizontal, se ponen en marcha con pequeñas velocidades del viento y son más resistentes a los vientos fuertes.

Su alineación vertical recibe al viento desde cualquier dirección, y por tanto, no requieren ningún sistema de alineamiento del aerogenerador, como los de eje horizontal.

III.5. Componentes de un aerogenerador

La energía cinética del aire es transformada en energía de rotación (del rotor) y, por lo tanto, en energía mecánica. Normalmente, las turbinas eólicas disponen de un sistema de transmisión mecánica con el propósito de incrementar el número de revoluciones del rotor hasta el número de revoluciones del generador eléctrico. Posteriormente, la energía mecánica es transformada en energía eléctrica mediante un generador eléctrico en energía eléctrica mediante un generador eléctrico (figura 6).


Figura 6: componentes de un aerogenerador vertical.

5. Generación Eléctrica

Se distinguen tres tipos de generadores eléctricos, que son los más usados en los aerogeneradores, cuyas características y aplicaciones son muy diferentes. En el micro y mini aerogeneradores son utilizados frecuentemente los generadores de imanes permanentes, por su parte, para los de potencia los síncronos y asíncronos son los más adecuados. La generación es trifásica por razones de rendimiento. Sin embargo en las turbinas micro y mini es conveniente rectificarla y suministrarla en corriente continua con los valores típicos de 12 y 24 voltios.

La conversión de la energía eólica en energía eléctrica se lleva a cabo de la siguiente manera.La energía disponible en el viento es energía cinética, dicha energía es la queChoca con las palas del rotor y estas palas la convierten en energía mecánica. El rotor se encuentra conectado al eje, y el par motor en

dicho eje puede hacer trabajos mecánicos o generar electricidad.Dependiendo del diseño aerodinámico de la pala, el viento, al actuar en las palas, produce un levantamiento o un arrastre. En el levantamiento lo que ocurre es que se produce una presión diferente en cada lado de la superficie del rotor, haciendo que el plano aerodinámico se levante.En el arrastre el viento golpea físicamente al rotor y lo arrastra con esa fuerza de choque. En cuanto a eficiencia se prefiere el levantamiento y las máquinas más modernas emplean este principio en su operación. Aun con todo, se sabe que por la Ley de Betz, solamente puede aprovecharse el 59,6% de la energía disponible del viento, ya que si fuera posible la extracción de toda la energía en movimiento del viento, justo detrás de las palas se quedaría una gran cantidad de aire en calma, por lo que bloquearía el acceso de más aire a las palas.

Una vez que ya se ha extraído la energía del viento, esta energía mecánica es convertida en energía eléctrica mediante un generador eléctrico, el cual puede ser de muy diversos tipos dependiendo de cómo sea el aerogenerador (según su potencia nominal, su uso, su posición,…). Por tanto, en esta conversión de energía mecánica a energía eléctrica también habrá unas determinadas pérdidas, las cuales también dependerán del tipo de generador seleccionado.

IV. METODOLOGÍA


Comenzamos con el armado de la unión entre las dos ruedas con un tubo, éste nos servirá como eje para darnos el largo de las aspas (figura 6), ésta altura se planeó de 1 metro.

Figura 6: Separación de ruedas con un eje.

Cortamos posteriormente la tubería de PVC en tramos de 1 metro de largo y los partimos a la mitad con la ayuda de una caladora eléctrica, como se observa en la figura 7.

Figura 7. Corte de las aspas.

Al observar debilidad del armazón de la base del abanico, fabricamos una pieza para contrarrestar el peso sobre el buje de las ruedas con unas arandelas convexas y partes de tubo (figura 8).

Figura 8: Pieza con rondana cóncava para soporte de buje.

Cortamos los tubos por la mitad y los aseguramos a las ruedas con tornillos y arandelas, este proceso se muestra en la figura 9.


Figura 9: Armado de las aspas.

Finalmente para las pruebas de fase turbina adaptamos un pequeño dínamo, resultando el generador de la figura 10.

Figura 10: Turbina con dinamo.

Entonces procedimos a la adaptación de la turbina a una base de PTR, cambiando el eje por dos segmentos de espárragos de 3/8 como eje

sujetado con 2 chumaceras y acoplado a una polea de 12 pulgadas de diámetro y con una banda a la polea de 6 pulgadas previamente acoplada al generador eléctrico. Figura 11.

Figura 11: Turbina con generador eléctrico.

Para las segundas pruebas se le cambió la banda al generador eléctrico por una de 9 pulgadas.

4.1. Materiales


Para poder llevar a cabo la construcción de este aerogenerador ocupamos los siguientes materiales algunos muy conocidos y otros no tanto. Principalmente utilizamos

4 metros de tubos de pvc de 4" y lo dividimos en secciones de 1 metro después los partimos a la mitad

Utilizamos 2 espárragos de un metro para sujetar las ruedas de la turbina

Dos llantas de una silla de ruedas que se encontraba en abandono

5 tuercas de 9/19 mm

16 tuercas de 3/4

16 rondanas de la misma medidas

Ocupamos soldar una base para sostener la turbina y mantenerla estable al girar y los

Bujes que la harían girar libremente

Utilizamos dos poleas una de 12"debajo de la turbina y una de 6" en el generador

V. RESULTADOS

Comenzamos las mediciones colocando un anemómetro a la salida del túnel para verificar la velocidad de arranque del aerogenerador, obtuvimos una lectura de 4 m/s sin conectar la carga, el regulador ni la batería al generador.

Aumentamos la velocidad del viento hasta el máximo, donde obtuvimos mediciones de anemómetro de 8.47 m/s, como podemos observar en la figura 12.

Figura 12: Velocidad máxima del túnel de viento.

Después medimos el voltaje fase a fase del generador y obtuvimos una lectura de V= 39.6 Volts. Figura 13. Detalle en figura 14.


Figura 13: Voltaje sin carga.

Figura 14: Detalle de figura 13.

Colocamos una polea de 9 pulgadas al generador eléctrico, pusimos el viento a la misma velocidad de y observamos los siguientes resultados.

V=16.8 Volt

Al observar que obteníamos un voltaje menor con la polea grande a la misma máxima velocidad del viento; dada la fórmula de la potencia a menor voltaje menor potencia, así que montamos de nuevo la polea de 6 pulgadas.

Entonces procedimos a conectar el regulador y una batería, en el circuito se incluyó un amperímetro conectado en serie con la carga y un voltímetro conectado en paralelo obteniendo los siguientes resultados.

En prueba, con la polea de 6 pulgadas en el generador eléctrico se obtuvieron las siguientes mediciones:

I = 1.38 A Figura 15.

V = 30.3 V Figura 16.

v= 6.75 m/s Figura 17.

Si la potencia es igual a P=VI

P= (1.38 A) (30.3 V)

P=41.814W

Figura 15: Corriente.


Figura 16: Voltaje alcanzado.

Figura 17: Velocidad del viento.

VI. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES

Observamos que si ponemos una polea de diámetro mayor en el generador, tendremos más torque, pero menor velocidad.

No pudimos construir la curva pues nos limitaba el potencial eólico, uno de los problemas o limitantes era que el regulador frenaba en seco todo el sistema, por “cuestiones eléctricas” según nos explicaron.

Observamos que cuando no existía ninguna carga, la turbina giraba sin problemas y logramos medir hasta casi 40 V, pero que era excesivo el freno eléctrico para nuestro prototipo.

Los generadores de eje vertical son 50% menos eficientes que los de eje horizontal, sin embargo estamos satisfechos por aprender a hacerlo y

lograr generar corriente eléctrica con materiales reciclados, ingenio y conocimientos brindados en las aulas.

VII. REFERENCIAS

WIND ENERGY EXPLAINED: THEORY, DESIGN AND APPLICATION, J.F. MANWELL; J.G. MCGOWAN; A.L. ROGERS , JOHN WILEY & SONS INC, 2003, ISBN 9780471499725


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