INGENIERIA MECANICA

INGENIERIA MECANICA

2012

INTEGRANTES:AGUILA HUAMAN ADAELHARO CASTILLO ALBERT JHONRENGIFO LEON JOSERODRIGUEZ GUTIERREZ WILMER MANUELRUIZ SANCHEZ WILINTHON JAVIEROCAS HUATAY EDGARVERGARAY TAMAYO WILSONDISEO FLUIDODINAMICO DE UN AEROGENARADOR DE BAJA POTENCIA

RESUMEN

En este presente proyecto se pretende demostrar la aplicacin de lo aprendido en clase al respecto de las Turbomquinas en una aplicacin real, que se estn aplicando a nivel nacional .El trabajo consisti en el diseo FLUIDINAMICO DE UN AEROGENERADOR DE BAJA POTENCIA.

En este presente trabajo se empieza haciendo una descripcin de las partes y funcionamiento del aerogenerador, as como la influencia fluidodinamica de la fuerza del aire sobre el perfil del alabe de la turbina, y para luego tener el conocimiento necesario para conceptualizar un buen diseo de un aerogenerador de baja potencia de eje horizontal con tres palas y una potencia producida por el generador de 0.3kW.

ABSTRACT

In this present project is to demonstrate the application of classroom learning about the Turbomachinery in a real application, which is being implemented nationwide.'s Work consisted of the design FLUIDINAMICO WIND TURBINE LOW POWER.

In this present work starts grabbing a description of the parts and operation of the wind turbine, fluid dynamics and the influence of the force of the air on the profile of the turbine blade, and then have the knowledge to conceptualize a good design low power turbine with three blades horizontal axis and power produced by the generator of 0.3kW.

I. Generalidades

1.1 Objetivos: Describir el fundamento cientfico-tcnico del funcionamiento del aerogenerador. Describir cada uno de los componentes de un aerogenerador, as como su ensamble y mantenimiento. Describir la fabricacin y diseo de cada uno de los componentes de un aerogenerador de acuerdo a lo aprendido en los cursos de ingeniera. Ampliar nuestros conocimientos acerca de las aplicaciones de la energa elica y su aplicacin en los aerogeneradores.1.2 Importancia y/o Justificacin:Aprender sobre los principios bsicos del funcionamiento del aerogenerador, as como el uso, utilidad, diseo, instalacin y mantenimiento de los mismos. Capacitar y preparar ante problemas reales sobre: instalaciones, mantenimiento y diseo del aerogenerador. Ampliar la visin de las aplicaciones e importancia de los cursos de energa en los diseos de elementos hidrulicos y elicos.

1.3 Referencias y/o requisitos del diseo.

1.3.1. Antecedentes. Criterios. Aplicaciones.

AntecedentesLas modernas turbinas elicas son sistemas capaces de transformar, de forma eficiente, la energa cintica contenida en el viento en energa mecnica en un eje. Esta energa se puede aprovechar, o bien directamente, en instalaciones aisladas para aplicaciones de bombeo o, como es ms habitual, en sistemas de produccin de energa elctrica. En este captulo no se aborda de forma intencionada el estudio de los aerogeneradores empleados para aplicaciones aisladas, es decir, instalaciones autnomas no conectadas a la red, por entender que analizar su funcionamiento implica describir tecnologas como sistemas fotovoltaicos, grupos diesel, etc., que se escapan del alcance de esta obra.

A lo largo de la historia de la energa elica, han sido muchas las turbinas que se han diseado para aprovechar la energa del viento, sin embargo, la tecnologa de aerogeneradores para produccin de energa elctrica ha evolucionado hacia mquinas de tres palas, orientadas a barlovento, con torre tubular y sistemas de orientacin activos. Estas caractersticas se pueden considerar comunes en los aerogeneradores actuales, sin embargo existen diferencias significativas en aspectos relativos al tipo de generador elctrico y los sistemas de control del aerogenerador.

Criterios de diseo del aerogeneradorA continuacin se describen brevemente los criterios que se han tenido en cuenta para el diseo del aerogenerador:

El diseo de ste aerogenerador se basa en conseguir la maximizacin de captacin energtica para una potencia y una velocidad de viento. La potencia elegida es de 0.3 kW, la cual corresponde a un aerogenerador de pequea potencia, ideal para uso urbano sobre tejados, para generacin aislada de red en zonas agrcolas, carga de bateras, etc.

Se selecciona un perfil NACA 4412 por su buen coeficiente de sustentacin, su facilidad para la fabricacin y porque tiene una seccin relativamente gruesa que permite soportar los esfuerzos en la raz del labe, aunque esta rigidez tiene que ver tambin con los materiales que se utilizan, estudiando los ngulos de ataque, sustentacin e inclinacin de varias secciones se perfilan las palas.

El nmero de palas del rotor es de 3, ya que este tipo de aerogenerador cumple con los siguientes criterios: Bsqueda de un par de arranque alto para facilitar el funcionamiento a vientos de baja velocidad. Estabilidad ante oscilaciones provocadas por el viento. Menor velocidad de rotacin para disminuir el ruido provocado por las palas. Mayor coeficiente de potencia.

Una velocidad nominal del viento que se utilizara para los lugares donde se podra utilizar esta turbina, se estima para cubrir de una manera adecuada con estas condiciones es de 6 m/s a una temperatura de 20C, ya que en aplicaciones urbanas el recurso elico no suele ser muy alto.

La TABLA 1 muestra los criterios seleccionados que debe cumplir el diseo del rotor del aerogenerador.AEROTURBINAPOTENCIA (w)VELOCIDAD (m/s)TEMP. AIRE (C)ALABEALTURA MEDIDA (m)

GENERADOR300620441210

del Presin de entrada y salida de la turbina 101.325 KPa. El rendimiento total asumirse de acuerdo al rango establecido. La velocidad del viento a la altura mostrada, a la altura de la torre deber recomendarla de acuerdo al tamao del aerogenerador. Verifique el nmero de Reynolds utilizado coincida con el de las curvas del perfil seleccionado.

APLICACIONES DE LOS AEROGENERADORES DE BAJA POTENCIAExisten dos aplicaciones generales de utilizar la energa elctrica generada a partir de los aerogeneradores de baja potencia: instalaciones aisladas e instalaciones conectadas a la red elctrica.

Instalaciones aisladas a la red elctrica:Las pequeas turbinas elicas pueden ser fuente econmica de electricidad para sitios aislados. La aplicacin ms comn de sistemas aislados es la electrificacin de viviendas rurales, para la cual existen diferentes configuraciones.

a) Sistemas individuales: Generalmente, cuentan con un pequeo aerogenerador, una o ms bateras para almacenar la energa generada y un regulador que controla la carga y descarga de las bateras. Dependiendo de la aplicacin, pueden incluir un inversor para transformar la electricidad de corriente continua en alterna.

b) Sistemas centralizados: Si las viviendas a electrificar se encuentran relativamente prximas entre s, la opcin ms apropiada puede ser un sistema elico centralizado debido a la concentracin de equipos y energa, lo cual ofrece ventajas desde los puntos de vista tcnico y econmico.

c) Sistemas hbridos: Las pequeas turbinas elicas, como se comento anteriormente, brindan una solucin muy atractiva para la electrificacin rural en muchos lugares, pero muchas veces la fluctuacin del viento hace que no se pueda obtener una produccin de electricidad de manera constante. Por esta razn, frecuentemente, se usa una turbina elica en combinacin con otra fuente de generacin: por ejemplo, paneles fotovoltaicos o un generador elctrico a base de diesel. Este tipo de sistemas se denominan sistemas hbridos, y una de las mayores ventajas que presentan, con respecto a un sistema individual, es que dan una mayor seguridad para la generacin de energa elctrica.

Instalaciones conectadas a la red elctrica:Si la legislacin del sector elctrico lo permite, existe la oportunidad de suministrar energa a la red con pequeos sistemas elicos. Esto es aplicable en los casos que exista una red en las proximidades del centro de consumo. En este caso, la energa requerida por el usuario sera suministrada por el sistema elico y por la red elctrica. Si el aerogenerador produce energa en exceso, se entrega el excedente a la red elctrica y, si se produce menos energa de la requerida, se toma de la red. El almacenamiento de la electricidad en bateras es opcional, pero su inclusin exige dispositivos rectificadores de corriente alterna para la carga de las bateras e inversores de corriente continua.

Energa elica en el entorno urbano:Actualmente, se est produciendo un gran inters por la introduccin de la energa elica en el entorno urbano y se estn desarrollando un nuevo tipo de turbinas elicas, llamadas Turbinas Urbanas (TU). La integracin de muchos pequeos molinos en el paisaje urbano incrementan notablemente la cobertura elica, a la vez que quedan disimulados por el paisaje y no ocupan terrenos de cultivo ni se entrometen en el paisaje.

1.3.2. Caractersticas de Funcionamiento. Especificaciones.

Los aerogeneradores obtienen su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un par que acta sobre las palas del rotor. La cantidad de energa transferida al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del rea de barrido de las palas y de la velocidad del viento. La energa cintica de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa. As pues, la energa cintica del viento depende de la densidad del aire. A presin atmosfrica normal y a 20C, la densidad del aire es 1.2254 kg/m3, aunque este valor disminuye ligeramente con el aumento de la humedad.

La referencia del rea de barrido de las palas, esta determinada cuanta energa del viento es capaz de capturar el aerogenerador. A mayor dimetro de palas, la superficie de barrido es mayor y por lo tanto la energa del viento que absorbe el rotor es mayor.

La velocidad del viento es un parmetro muy importante para la cantidad de energa que un aerogenerador puede transformar la electricidad. A mayor velocidad de viento, la energa que capta el aerogenerador es mayor. La energa cintica del viento es capturada por el aerogenerador gracias a las palas del rotor y por lo tanto hacen girar el eje de baja velocidad al que esta acoplado el buje. Este, gracias al multiplicador, hace girar a su vez el eje de alta velocidad, en el cual se encuentra acoplado el generador, que se el producto de la energa elctrica.

El rotor del aerogenerador se mueve debido a la sustentacin que se produce en las palas. La sustentacin es una fuerza perpendicular en ambos lados de la pala; es decir, por el hecho de que el aire que se desliza a lo largo de la superficie superior de la pala se mueve mas rpidamente que el de la superficie interior. Si la inclinacin de las palas es muy elevada se puede producir el fenmeno conocido como perdida de sustentacin, en que el flujo del aire de la superficie superior deja de estar en contacto con la superficie de la pala y por tanto, las palas dejan de girar. Es por eso este motivo que las palas de los aerogeneradores estn alabeados con el fin de que el ngulo de ataque sea el optimo a lo largo de toda la longitud de la misma y tratar de evitar que se produzca dicho fenmeno.

1.3.3. Esquemas. Planos de instalaciones reales.

CIMENTACION

TORRES DEL AEROGENERADOR:

MONTAJE:

AEROGENERADORES:

II. Marco Terico y Metodologa

2.1 Ecuaciones de anlisis del recurso elico: velocidades, coeficientes de potencia, etc.

A. VELOCIDAD DEL VIENTO:La velocidad del viento vara con la altura, siguiendo aproximadamente una ecuacin de tipo estadstico, conocida como ley exponencial de Hellmann, de la forma:

Donde: vh es la velocidad del viento a la altura h, v10 es la velocidad del viento a 10 metros de altura es el exponente de Hellmann que vara con la rugosidad del terreno.

Tabla 2: (Exponente de Hellmann)

B. ENERGA TIL DEL VIENTO:En una corriente de aire de densidad y velocidad v, la potencia elica disponible que atraviesa una superficie A y hace un recorrido L en el tiempo t, viene dada por la expresin:

La seccin barrida por la pala en un aerogenerador de eje horizontal y dimetro D es:

D: dimetro del rotorLa velocidad del viento vara con el tiempo y, por lo tanto, su potencia N tambin variar; se puede considerar el valor medio de ambas, por ejemplo a lo largo de un ao, obtenindose:

De estos conceptos se obtienen las siguientes consecuencias:

a) La vara fuertemente con la velocidad v, siendo preciso hacer las mediciones de v en el lugar exacto donde se quiera instalar la aerogenerador.

b) La vara con la densidad del aire , a causa de las variaciones de presin y temperatura, en valores que pueden oscilar de un 10% a un 15% a lo largo del ao.

Mediante las curvas de potencia se puede conocer cuando un aerogenerador suministra energa. Cuando el viento supera la velocidad mnima mquina comienza a suministrar potencia aumentando sta a medida que aumenta la velocidad del viento, hasta que ste alcanza una velocidad que corresponde con la potencia nominal del generador; para velocidades superiores los sistemas de control mantienen constante la potencia, evitando una sobrecarga en la turbina y en el generador.

C. FUERZAS SOBRE UN PERFIL:

Un objeto situado en el seno de una corriente de aire presenta una resistencia al avance deformando los filetes fluidos; esto depende de la forma del objeto y de su posicin con relacin a la direccin del viento. Al estudiar los efectos de la resistencia del aire sobre una placa plana, se observa que la resultante R de las fuerzas aplicadas a la placa es un vector cuyo punto de aplicacin es su centro aerodinmico o centro de empuje, siendo su direccin perpendicular a la placa, su sentido el del viento, y su intensidad proporcional a la superficie S expuesta y al cuadrado de la velocidad del viento v, en la forma:

K es un coeficiente que depende del ngulo de incidencia, de las unidades elegidas y de la turbulencia del movimiento.

Cw es el coeficiente de resistencia (penetracin).

es la densidad del aire.

S la seccin frontal del perfil.

Si el ngulo que forma el plano de la placa con la direccin del viento es grande, existe una sobrepresin en la parte delantera de la placa y una depresin en su parte posterior de carcter turbulento.

Si el ngulo de incidencia es pequeo, la sobrepresin aparece en la parte inferior de la placa y la depresin por encima, por lo que aparece una fuerza que tiende a elevarla, conocida como fuerza de sustentacin o de elevacin.

ACCIN DEL VIENTO SOBRE EL PERFIL. POTENCIA TIL Y RENDIMIENTO

Palas perfiladas: El elemento bsico de un aerogenerador es el rotor, que para nuestro caso esta formado por 3 hlices o palas, (su teora de clculo elemental es anloga a la de las hlices de avin).

En general, los tipos de perfiles utilizados en las mquinas elicas son de la serie NACA (National Advisory Committee of Aeronautics), y vienen determinados por un conjunto de cifras que definen su geometra. En este informe de investigacin lo haremos para un NACA 4212.

ngulos de la cuerda:

es el ngulo que forma una cuerda del perfil con el plano de rotacin; es el ngulo de calaje o de inclinacin (cuerda/u)

es el ngulo que forma la cuerda del perfil con la velocidad aparente del viento C , (ngulo de incidencia o de ataque).

es el ngulo que forma el plano de rotacin con la direccin aparente del viento que pasa por el borde de ataque; se conoce como ngulo aparente del viento.

PARMETROS PRCTICOS UTILIZADOS EN EL DISEO DE LOS AEROGENERADORES ELICOS

Relaciones practicas entre y : En la Fig IV.1 se presenta la polar del perfil FX60-126 y a la misma escala la representacin de Cy en funcin del ngulo de ataque ; de ellas se obtiene que la sustentacin mxima se presenta para un ngulo de ataque = 12 y que el arrastre mnimo se produce para un valor de Cx = 0,006 que se corresponde con un coeficiente de sustentacin Cy = 0,2.El mejor funcionamiento de la pala se produce para un ngulo de ataque en el que la relacin sea mxima, es decir, el coeficiente ascensional tiene que ser grande, pero no necesariamente el mximo absoluto, al tiempo que el coeficiente de arrastre tiene que ser lo ms pequeo posible, compatible con la relacin anterior.

Tambin se observa que el mnimo arrastre se produce para Cy = 0,2 que es un valor bajo comparado con el mximo posible Cy = 1,6. Para encontrar el ngulo de ataque para el que la relacin se hace mxima, se traza la tangente a la polar desde el origen de coordenadas; el punto de tangencia P se corresponde con el mximo valor de del perfil de la pala, proporcionando en este caso valores de:

Cy = 1,08

Cx = 0,0108 = 5 y

Colocando el perfil con este ngulo, para una determinada velocidad del viento, funcionar en condiciones ptimas.

COEFICIENTE MAXIMO DE POTENCIA

El coeficiente mximo de potencia esta determinada por la siguiente ecuacin:

2.2 Algoritmo de diseo del rodete del aerogenerador: clculo de las palas, radio del aerogenerador, velocidades de rotacin, torques, fuerzas, etc.

Algoritmo de diseo del Aerogenerador

a) Establecer el valor del coeficiente de celeridad :

Bomba: [1,2] Generador: [4,10]

b) Determinar el nmero de palas Z:

1-22-33-44-55-88-15

Z6-204-123-62-42-31-2

c) Seleccin del perfil de las palas:

Por criterios comerciales, se prefieren entre:

Placas planas Placas curvas Perfiles NACA

Para nuestro informe escogeremos perfil NACA 4412

d) Determinar los coeficientes de sustentacin CL y de arrastre CD:

De la Fig IV.2.- Coeficientes de arrastre y de sustentacin en funcin de . Siendo CL=Cy y Cd=Cx.

e) Determinar el coeficiente CP mximo y para una celeridad constante

Primero, calculamos el ngulo de flujo :

Luego, calculamos el CP mximo:

f) Determinar el Radio de la aerogenerador R:

Datos:

Requerimiento de energa anual por demanda de mxima potencia. (N en KW).

Eficiencia total de un aerogenerador entre 0,49 y 0,56 nt.

Velocidad del viento promedio. (Ley de Hellman) (V en m/s).

Luego ; Calculamos el Radio del aerogenerador en metros:

Donde: Cp: Coeficiente de potencia.: Densidad del aire.

g) Determinar el ngulo de flujo , la cuerda del labe C y el ngulo del labe para distintas secciones de la pala:

Dividimos al radio R en partes r, a partir del buje de la turbina. Calculamos la celeridad en esa posicin r, es decir:

Calculamos el ngulo de flujo .

Luego, calculamos la cuerda del labe C para esa seccin:

Donde :

CL se considera constante en toda la longitud del labe. Y el ngulo del labe :

2.3 Algoritmo de diseo del sistema de generacin elctrica.

Algoritmo de diseo del Generador elctrico de Imanes PermanentesEn el acoplamiento del rotor a un generador elctrico, a travs del multiplicador, hay que tener en cuenta el nmero de rpm a que va a funcionar el generador. Si se selecciona en el generador elctrico una velocidad baja (p.e. para una actividad como puede ser la de cargar bateras), el rotor se puede poner a un nmero de revoluciones que se corresponda con la velocidad mxima del viento.

Si en nuestro ejemplo suponemos que el generador requiere 300 rpm para generar la potencia de1 kW y el rotor funciona a estas 300 rpm, no es necesario colocar ningn tipo de multiplicador y el acoplamiento ser directo; estas rpm se corresponden con un igual a:

que es un valor un poco elevado.

Si se pone un multiplicador de velocidades, con una relacin, por ejemplo de 2/1, se podra utilizar un rotor con una velocidad inferior, 150 rpm, reduciendo el a 6,17 que es un valor mucho ms apropiado. Si lo que se desea accionar es un generador elctrico, ste requiere una velocidad sincrnica a un nmero de rpm constante por lo que sta vendr perfectamente determinada en funcin de la frecuencia de la energa elctrica a obtener y del nmero de pares de polos del mismo, de la forma:

Para 2 pares de polos (n = 1500 rpm), lo que implica una multiplicacin de (5/1) funcionando el rotor a 300 rpm. Un aumento del n de pares de polos disminuye este factor de multiplicacin.2.4 Instalaciones complementarias al diseo (base de cimentacin, torre, gndola, buje, sistema de frenos, caja de velocidades, etc.).

La composicin de un aerogenerador es bastante estndar y vara slo en algunos componentes extras, tales como refrigeracin, mecanismos de orientacin, anemmetros y veletas. En general, sus componentes principales son los siguientes: 1. Torre. 2. Caja de engranajes o multiplicador. 3. Gondola. 4. Sistema de control. 5. Generador.

La caja de engranajes, los actuadores del sistema de control y el generador se ubican dentro de la estructura llamada gndola, Figura 2.4.

TORRE:La torre tiene por funcin soportar el rotor o hlice y la gndola (multiplicador, generador y actuadores del sistema de control) y dar el anclaje necesario al suelo para mantenerlo en pie. Adems es la torre la que determina la altura a la que se posicionar la gndola, permitiendo a su vez aumentar el largo de las aspas. Dentro de los clsicos tipos de torres encontramos; tubulares, de celosa y de mstil tensado (tambin las hay hbridas). Ver Figura 2.5.

Las torres tubulares, como su nombre lo indica, consisten en grandes tubos de acero, cilndricos o cnicos, que ofrecen espacio en su interior para los equipos de suelo y el acceso resguardado de personal hacia la 14 gndola. Son las ms caras y de difcil instalacin, pero de menor mantenimiento. Son las ms ocupadas para generacin elica y sobretodo en alta potencia. Este tipo de torre fue usada en el E-126, aerogenerador ms grande del mundo a la fecha, el cual alcanza los 135[m] de altura al buje, y posee un dimetro de la hlice de 127[m], se ubicada en Zuera (30 kilmetros al norte de Zaragoza en Espaa).

Las torres de celosa son construidas mediante perfiles de acero unidos mediante tornillera. Son muy baratas y de fcil construccin, pero necesitan de constante revisin para asegurar que los segmentos sigan unidos. El acceso a la gndola es a travs de escalerillas por dentro de la estructura, lo cual por su construccin presenta baja proteccin ante fuertes vientos. Se utilizan para potencias entre los 3[KW] y los 20[KW], y su altura flucta entre los 12[m] y los 36[m].

Por ltimo, las torres de mstil tensado, son hechas con tubos estrechos de acero y son apoyados por cables tensores. Logran tener de este modo una instalacin fcil y rpida, pero resultan muy difciles a la hora de realizar inspecciones o reparaciones. Por lo general se utilizan entre 500[W] y 5[KW], y su altura vara entre los 6[m] y 18[m].

GONDOLA:Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador elctrico. El personal de servicio puede entrar en la gndola desde la torre de la turbina.La gndola de aerogenerador protege a todos los componentes del mismo de las inclemencias del tiempo, a la vez que asla acsticamente el exterior del ruido generado por la mquina.

La capota de la gndola, fabricado en material compuesto, est unida al chasis, sobre el que se montan todos los componentes. Esta construida en un 30% de fibra de vidrio y en un 70% de polister. Dispone de tomas de aire para la refrigeracin, trampilla, pararrayos, anemmetro y veleta.

CAJA DE ENGRANAJES O MULTIPLICADOR La funcin del multiplicador es aumentar la velocidad de giro del eje de las aspas, denominado eje de baja velocidad, y traspasarlo a una mayor velocidad al generador, denominado eje de alta velocidad. Esta caja es necesaria debido al uso de generadores sincrnicos o asincrnicos en los aerogeneradores conectados a la red, por lo que se necesita que la velocidad de giro con la que operan estos aerogeneradores sea elevada, para que produzcan frecuencias elctricas iguales a 50[Hz] o 60[Hz], dependiendo del pas.

SISTEMA DE CONTROL El objetivo de los sistemas de control, es aprovechar al mximo las capacidades del aerogenerador y no exceder sus lmites. Normalmente se denomina sistema de control, a todos los componentes que controlan el correcto funcionamiento del aerogenerador. Dentro de stos se encuentran: anemmetros, veletas, unidades de refrigeracin, mecanismos de orientacin y sistemas de control de potencia, entre otros.

Dentro de la especialidad, entenderemos por sistema de control, al sistema que busca mantener un voltaje constante en la generacin, regulando el voltaje en los bornes de salida del generador. La necesidad de esto es estar acoplado directamente a la red, o bien, no salir de los rangos de la rectificacin implementada, si es que la hay.

GENERADOR Los generadores sincrnicos, son mquinas de corriente alterna que se caracterizan por tener una velocidad del eje, dependiente directamente con la frecuencia de las variables elctricas. Pueden ser monofsicas o polifsicas (preferentemente trifsicas en aplicaciones de potencia). Son los ms ocupados en generacin elica, seguidos de los generadores asncronos. Ocupan normalmente un multiplicador para ajustar la velocidad de la hlice a un valor adecuado para el generador.

La operacin de la mquina sincrnica se basa en la Ley de Faraday. Mediante la hlice se hace girar un enrollado alimentado con corriente continua, o bien a un conjunto de imanes permanentes. Al girar stos frente a las bobinas de estator, por el interior de stas pasa un flujo magntico variable en el tiempo. Esto genera un voltaje inducido alterno en las bobinas de estator. La versin monofsica para una mquina de dos polos, se presenta en la siguiente figura.

El voltaje inducido en las bobinas del estator, es sinusoidal y de igual frecuencia al giro del rotor. Sin embargo, se debe destacar que si el nmero de polos, , es mayor que dos, la frecuencia a la que variar el flujo crecer, por lo que la relacin entre las frecuencias elctricas y mecnicas vendr dada por:

De este modo, para obtener un sistema trifsico, bastar con conectar los enrollados en la armadura que se encuentren desplazados en el espacio en 360/(p/2) grados.

2.5 Regulacin de las turbinas elicas.

Para las mquinas elicas que accionan un generador elctrico se han diseado diversos sistemas de regulacin, ya en desuso, tales como:

Regulacin por frenos aerodinmicos que se activan por la accin de la fuerza centrfuga y que actan cuando el giro del rotor no es el adecuado por sobrepasar un cierto valor.

Todos ellos se basan en el efecto de la fuerza centrfuga de rotacin y la actuacin del frenado aerodinmico se realiza mediante un dispositivo adecuado, que consiste en colocar perfiles aerodinmicos en los extremos de las palas del rotor que actan cuando ste alcanza altas velocidades. El sistema implica la regulacin por variacin del ngulo de inclinacin de las palas, que puede ser de toda la pala, de parte de la pala o mediante alerones.La sencillez de los mecanismos de regulacin es una de las principales caractersticas de los aerogeneradores de baja potencia.

Los sistemas, cada vez ms complejos, se simplifican mediante la introduccin de nuevas tecnologas y los nuevos materiales permiten disear elementos resistentes y flexibles que facilitan la regulacin, como en el caso del modelo desarrollado por la Universidad de Universidad de East-Hartfort (USA).

La regulacin por medio de palas orientables es la ms utilizada en las grandes mquinas; su funcionamiento consiste en actuar sobre el ngulo de calaje de cada pala, ya que como es sabido, la fuerza aerodinmica que acta sobre ella es funcin del ngulo que, a su vez, lo es tambin del ngulo de ataque y del de calaje .

Una variante del sistema de regulacin por alerones es el sistema dans

en el que el extremo de las palas juega el papel de freno aerodinmico con viento fuerte; con viento normal, el alern mvil que se encuentra en la prolongacin de la pala, cuya superficie es del orden de la dcima parte de la de la misma, constituye el elemento de frenado que se acciona mediante un servomotor hidrulico; en caso de velocidad excesiva llega a girar 60, introduciendo as un par de frenado considerable.III. Procedimiento de Clculo:

3.1 Determinacin de los parmetros dimensionales y de operacin de la Turbina Elica: velocidad promedio del viento, coeficientes de potencia, de arrastre, de sustentacin, ngulos de ataque, de flujo, de seccin, Reynolds, seccin de palas, cuerdas, radio de rodete etc.

Calculo de la velocidad promedio del viento:

Dnde:

V10=6 m/s (datos de diseo)h=15m (supuesto)=0.14 (TABLA 2 )

V15 =6.35 m/s

Determinacin del coeficiente de celeridad:

1-22-33-44-55-88-15

Z6-204-123-62-42-31-2

Asumiendo un =6, tenemos que el nmero de palas es:Z= 3 .

Determinacin CL y

Para un perfil NACA 4412 tenemos:4= 4 y 0,85Cd = 0.01

Calculo del Angulo de flujo ()

Determinacin del coeficiente de potencia mximo:

Determinacin del rendimiento total:

Calculo de la potencia entregada por el viento:

DATO:

Calculo del radio y dimetro del aerogenerador:

Determinacin de la celeridad para diferentes secciones de pala:

;

Nradiosr

10,2601,061

20,3941,610

30,5292,159

40,6632,707

50,7983,256

60,9323,805

71,0674,354

81,2014,902

91,3365,451

101,4706,000

Determinacin del ngulo de flujo para diferentes secciones de la pala:

Nr(radianes)(grados)

11,0610,50428,870

21,6100,37121,232

32,1590,28916,571

42,7070,23613,515

53,2560,19911,382

63,8050,1719,817

74,3540,1518,624

84,9020,1347,686

95,4510,1216,930

106,0000,1106,308

Determinacin la longitud de la cuerda para diferentes secciones de pala:

CL=0.85 Z=3

Nradios(grados)C

10,26028,8700,300

20,39421,2320,164

30,52916,5710,100

40,66313,5150,067

50,79811,3820,047

60,9329,8170,035

71,0678,6240,027

81,2017,6860,022

91,3366,9300,018

101,4706,3080,015

Dexterminacin del ngulo de seccin para diferentes secciones de pala:

Aviamos supuesto un ngulo de ataque: = 4

Nr(radio)(grados)

10,26028,87024,870

20,39421,23217,232

30,52916,57112,571

40,66313,5159,515

50,79811,3827,382

60,9329,8175,817

71,0678,6244,624

81,2017,6863,686

91,3366,9302,930

101,4706,3082,308

SELECCIN DEL GENERADOR ELCTRICO

Relacin de la velocidad perifrica:

; ; V= 6.35 m/s

Velocidad de rotacin en el eje de bajas rpm:

Determinacin de los RPM :

Asumimos 3 PP para asi determinar las siguiente RPM de nuestro generador:

Velocidad de rotacin en el eje de alta rpm:

Se necesita un multiplicador de 4.8.

RESUMEN DE LOS PARMETROS DE DISEO:

Potencia elctrica: 300 WVelocidad del aire 15m: 6.35 m/s Perfil utilizado:NACA 4412Numero de palas:3:6RPM del generador:1200Cp: 0.524CL :0.85Multiplicador 4.8 : 1,29 kg/m:4

IV. Presentacin y Discusin de Resultados:

4.1 Dimensiones de la turbina y accesorios. (planos 2D y piezas y ensambles 3D).

4.2 Seleccin del generador elctrico.

De catlogos podemos encontrar que para las condiciones de nuestro aerogenerador podemos obtener el siguiente:

V. Conclusiones.

El bajo costo y la disponibilidad en el mercado de la materia prima e insumos para la fabricacin de un aerogenerador de las caractersticas del presente trabajo, son indicadores de que esta tecnologa se presenta como una gran alternativa energtica para atender las pequeas demandas energticas de las zonas rurales del Per.

El diseo de un aerogenerador est regida a por la ley de Betz, la que nos indica que tanta energa cintica del aire es transformada en energa mecnica de giro y que por consecuencia el mximo rendimiento que se puede obtener en el rotor de un aerogenerador es de 59%.

La potencia en un factor principal al empezar el diseo ya que se debe considerar que tanto se necesita obtener a la salida del rotor elico, y por consecuencia para saber que tanta potencia requiere el viento.

Tomando en cuenta la importancia que tiene el perfil del alabe para el funcionamiento del rotor se tiene que seleccionar y emplear un tipo de perfil normalizado en el cual se basara para obtener una geometra adecuada teniendo encuenta las caractersticas del diseo.

El diseo fue un xito porque se cumpli con todas las expectativas marcadas por la teora y por la norma NACA 4412, cumpliendo con los objetivos planteados.

VI. Referencias Bibliogrficas.

http://www.darwinnet.org/docs/Microaerogenerador%20IT%20PE%20100%20para%20electrificacion%20rural.pdf

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/2979/1/54392-1.pdf

http://www.bibliosepi.esimez.ipn.mx/mecanica/2012/Diseno%20de%20la%20carcasa%20de%20un%20aerogenerador%20de%20baja%20potencia.pdf

http://www.bornay.com/userfiles/descargas/bee_800_rev1.pdfTURBOMAQUINASPgina 39