UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA MECNICA
MINISTERIO DE ENERGA Y MINAS
CONVENIO ESPECFICO N 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM
MAESTRA EN TECNOLOGA ENERGTICA
Informe: DISEO Y CALCULO DE PALA DE UN
AEROGENERADOR
Presentado por:
Richard Cceres Ortiz
Fidel Lagos Gmez
Frans Dennys Carhuamaca Castro
Walter Mjico Sedano
Hugo Lozano Nez
Huancayo-23 de Febrero de 2012
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NDICE
NDICE ........................................................................................................................................................ 2 1 INTRODUCCIN ............................................................................................................................... 3 2 CONTENIDO ...................................................................................................................................... 3 3 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES................................................................................. 19 4 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ................................................................................................... 20
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1 INTRODUCCIN
La generacin de energa elctrica a pequea escala, aprovechando la
velocidad del viento, constituye una alternativa posible para zonas rurales
aisladas y dispersas que cuenten con recurso elico. Sin embargo, el
desarrollo tecnolgico de equipos de aerogeneracin a pequea escala no
ha tenido el mismo grado de desarrollo que los equipos para mediana y
gran escala.
La investigacin y el desarrollo tecnolgico para equipos de
aerogeneracin de grandes potencias conectados a red han tenido un
avance espectacular en los ltimos 15 aos, principalmente en pases
desarrollados y gracias a decididas polticas de promocin. Diferente es el
estado de los equipos de aerogeneracin de bajas potencias,
principalmente orientados para zonas aisladas y por lo general en pases
en vas de desarrollo, que no han tenido el mismo grado de desarrollo.
2 CONTENIDO
DISEO SIMPLIFICADO DE UN AEROGENERADOR.
No es un proceso sencillo, pero tratar de simplificarlo al mximo.
Cualquiera puede poner un par de tablas al viento y producir algo de
energa, sin embargo, este diseo trata de realizar un aerogenerador
mnimamente decente. El rea frontal del rotor que ste presenta de cara al
viento es un parmetro importante de diseo. Vamos a trabajar con un rotor
de eje horizontal. Para aplicaciones pequeas, la eficiencia de estos
aerogeneradores ronda entre el 15% y el 30% si las potencias mximas
generadas son menores a 2 kW. Tomaremos un valor de rendimiento del:
25%. Esto quiere decir, que los aerogeneradores de este tipo, an siendo
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perfectamente diseados solamente aprovechan la cuarta parte de la
energa til del viento.
Calculamos el rea necesaria que tiene que barrer el aerogenerador con la
siguiente ecuacin:
(1)
En nuestro caso, queremos disear un aerogenerador que pueda alimentar
un alternador de automvil pequeo. Vamos a disear un aerogenerador
de 500 W. El rendimiento dijimos que era del 25%, para aplicarlo a la
ecuacin de arriba tenemos que introducir el nmero 0,25. V es la
velocidad mxima del viento y viene expresada en m/s. Hay que tener en
cuenta que el aerogenerador debe de ser construido para aguantar esa
velocidad como mximo. Si la velocidad supera este mximo deberemos
prever sistemas de seguridad para evitar la rotura del aerogenerador. Elijo
un valor de 10 m/s que equivalen a 36 km/h, como velocidad mxima. Cada
cual puede elegir el valor que ms le convenga segn la cantidad de viento
que disponga en su casa. Queda:
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(2)
1,25 corresponde a la densidad del aire. Ahora podemos obtener el radio
de la pala que necesitaremos con la siguiente ecuacin:
(3)
Ya tenemos que necesitamos palas de 1 metro de radio, para generar 500
W con una velocidad mxima del aire de 36 km/h.
NMERO DE PALAS DEL AEROGENERADOR.
El nmero de palas de un aerogenerador no es de gran importancia para
su actuacin, tendremos que elegir en funcin del coste de fabricacin. Un
nmero de palas elevado tendr un coste alto y un mayor par de arranque,
mientras que un nmero de palas bajo ser barato pero tendr un par de
arranque bajo. Se puede fabricar un aerogenerador con 1 pala, pero yo he
preferido en el diseo emplear tres puesto que dos palas hacen ms ruido
aunque sean ms fciles de equilibrar. Construir mayor nmero de palas no
vale la pena el trabajo a realizar en casa ya que no vamos a obtener ms
potencia por ello. Tres palas es un buen compromiso entre coste y par de
arranque
ACOPLAMIENTO ROTOR ELICO- GENERADOR ELCTRICO.
Tenemos que tener en cuenta el nmero de revoluciones a la que trabaja el
generador y el nmero de revoluciones a la que trabaja el rotor. Para hacer
esto, necesitamos utilizar un concepto llamado TSR. El TSR indica que la
periferia de la pala circula a una velocidad TSR veces mayor que la
velocidad del viento. Cualquier alternador de coche suele funcionar entre
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300 y 12000 r.p.m ( revoluciones por minuto ). Sin entrar en ms detalles
tcnicos, un TSR adecuado para un generador de tres palas suele estar
comprendido entre 4 y 12. Tomamos un valor de TSR = 6 para que el rotor
funcione a la ms baja velocidad de rotacin posible. Velocidades de
rotacin muy altas hacen que las palas puedan ser peligrosas para la
integridad de la mquina y de las personas sobre todo si van a ser
construidas en casa con materiales comunes. Para dicho TSR obtenemos:
(4)
Luego, para la mxima velocidad del viento establecida por diseo,
tenemos 571 r.p.m del rotor. Tenemos que conseguir que por lo menos a la
mitad de la velocidad mxima del viento podamos hacer trabajar al
alternador correctamente. Elijo un factor de multiplicacin de 3. Esto quiere
decir que cuando el rotor d una vuelta completa el generador dar 3
vueltas. Esto puede ser conseguido fcilmente utilizando una polea para el
rotor que tenga 3 veces ms de dimetro que la polea del alternador.
PERFIL DEL ALA.
Un buen perfil del ala es un factor muy importante que consigue
aerogeneradores con buenos rendimientos. He utilizado para este diseo el
perfil NACA 2412, puesto que ha dado buenos resultados para
aerogeneradores de pequeas potencias. El perfil viene en Excel en
formato de tabla de puntos.
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Fig. 1. Perfil Naca 4412.
La anchura de las palas no afecta prcticamente a la potencia generada
por la mquina, las palas finas permiten velocidad de rotacin elevadas
pero pueden tener baja resistencia estructural. Se suele tomar un ancho de
pala ( cuerda ) que est comprendido entre el ( 1/ 20 y 1/25) del dimetro D
del rotor. El espesor del perfil disminuye desde el entronque con el cubo (
eje del rotor ) a la periferia. Las zonas de la pala cerca del cubo producen
poco par de giro, y por ello puede suprimirse el perfil en una zona entre el
10% y el 15% de la longitud de la pala.
Para perfilar una pala se procede en primer lugar a hacer un esquema de la
misma, tal como aparece en la figura 2, dividindola en varias secciones,
calculando primero la relacin de velocidades SR en funcin del radio con
la siguiente ecuacin:
Fig.2. Esquema bsico de diseo de una pala.
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(5) donde:
r: RADIO DEL CENTRO DE GIRO A LA SECCIN EN CUESTIN.
R:radio total de la pala.
En este procedimiento se han empleado diez secciones, aunque en la
prctica se pueden dividir en el nmero de secciones que necesitemos.
Para cada distancia al centro ( 0 ) se calcula el TSR local, o sea, el SR,
dato necesario para los clculos siguientes. A continuacin se muestran los
resultados para cada valor del SR en los parametros actuales de diseo:
SR(A) SR(B) SR(C) SR(D) SR(E) SR(F) SR(G) SR(H) SR(I) SR(J)
0,6 1,2 1,8 2,4 3 3,6 4,2 4,8 5,4 6
Tabla 1.
Siguiente paso, calcular los valores del ngulo zeta.
CLCULO DE LOS VALORES DEL NGULO ZETA.
Teniendo en cuenta las grficas de la figura 2, se determina el ngulo zeta
y el parmetro de forma SP. Primero utilizamos la grfica de la izquierda.
Estas grficas estn optimizadas y sirven prcticamente para cualquier
perfil usado. Se introducen los valores para SR(A)... SR(J) en la grfica y
se obtienen los correspondientes ngulos. Para quin no sepa introducir
valores en la tabla que lea aqu.
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Fig. 3. Grficas para calcular el ngulo zeta y el fator de forma SP.
Trabajando con los valores de la grfica de la izquierda y los parmetro de
diseo obtenemos la siguiente tabla de ngulos:
Zeta(A) Zeta(B) Zeta(C) Zeta(D) Zeta(E) Zeta(F) Zeta(G) Zeta(H) Zeta(I) Zeta(J)
37,5 25,5 19,5 14,5 12 10 8,6 7,7 6,6 6,1
Tabla 2.
As mismo los factores de forma trabajando con la grfica de la derecha
son:
SP(A) SP(B) SP(C) SP(D) SP(E) SP(F) SP(G) SP(H) SP(I) SP(J)
3 1,95 1,2 0,85 0,55 0,425 0,32 0,24 0,18 0,15
Tabla 3.
Para no aburrir con detalles tcnicos innecesarios, diremos que la grfica
de la izquierda nos da el ngulo ptimo de la pala en funcin del radio y la
grfica de la derecha nos da el tamao adecuado en espesor y anchura de
la
