Velocidad Periferica de Las Palas Del Rotor de Los Aerogeneradores

7/22/2019 Velocidad Periferica de Las Palas Del Rotor de Los Aerogeneradores

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FACULTAD DE TECNOLOGIA

COCHABAMBA

PRACTICA

ENERGIA EOLICA

MATERIA: ENERGIA EOLICA

DOCENTE: Ing. Solis

ESTUDIANTE: FAVIO PLAZA RIVERO

FECHA: 26/04/13

COCHABAMBA - BOLIVIA


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VELOCIDAD PERIFERICA DE LAS PALAS DEL ROTOR DE LOS

AEROGENERADORES

CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO

Cuando en el paisaje rural aparece una mquina elica, lo primero que se

observa es un elemento en rotacin con un cierto nmero de aspas o palas

instaladas sobre una torre a cierta altura. Muchos se preguntarn por qu

algunas de estas mquinas poseen muchas palas y otras menos. Los molinos

de viento que se emplean tradicionalmente para el bombeo de agua

generalmente poseen muchas palas (entre 16 y 24), y las turbinas elicas

usadas para generar electricidad usualmente tienen solamente tres, aunque

cada vez menos frecuentemente se fabrican de dos palas. El parque elico Los

Canarreos, en la Isla de la Juventud, posee mquinas con rotores de dos palas.

Los restantes parques elicos cubanos son de tres palas. Cul es la razn de

esta disparidad?

Velocidad de rotacin de una turbina elica

La velocidad de rotacin de una turbina elica normalmente se expresa en

revoluciones por minuto (rpm), o en radianes por segundo (rad.s1).

La velocidad de rotacin en revoluciones por minuto por lo general se

representa porN, y la velocidad angular en radianes por segundo usualmente

se representa por . La relacin existente entre las rpm y los radianes por

segundo se presenta seguidamente:

1 rpm = (2 / 60) rad.s1.

Velocidad en la punta de la pala de una turbina elica

Otra forma de medir la velocidad de una turbina elica es la velocidad de punta,U, la cual es la velocidad tangencial del rotor en la punta de las palas, medida

en metros por segundo. Es el producto de la velocidad angular del rotor y el

radio de la punta de la pala, R (en metros). De aqu se deriva otra forma de

expresar la velocidad U:


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U = (2RN) / 60

Razn de velocidad de punta

Dividiendo la velocidad de punta, U, entre la velocidad no perturbada delante

del rotor, V0, se obtiene una relacin adimensional muy til, conocida como

razn de velocidad de punta, la que se representa normalmente por . Esta

razn proporciona una medida til con la cual se comparan las turbinas elicas

con diferentes caractersticas.Una turbina elica con un diseo especfico

puede operar en un rango de velocidades de punta, pero operar con la mayor

eficiencia a una determinada razn de velocidad de punta, es decir, cuando la

velocidad de la punta de su labe sea un valor mltiple determinado de la

velocidad del viento. En la figura 1 puede verse este efecto.

Relacin entre la razn de velocidad de puntay el coeficiente de potencia, para diferentes tipos de mquinas elicas.

Denominando a la eficiencia por el trmino coeficiente de potencia, se

advierte que cada tipo de rotor opera en un intervalo de razones de velocidades

de punta determinado, pero alcanza un valor mximo de eficiencia a un cierto

valor de . Por ejemplo, un rotor tripala opera en el rango de 6 a 12, pero

alcanza su valor mximo cuando el valor de la razn de velocidad de punta se

encuentra cercano a 10. Los molinos de viento multipala alcanzan este valorcuando es aproximadamente 1.

La razn de velocidad de punta ptima para una velocidad de rotor depender

tanto del ancho de las palas como de su nmero.

VELOCIDAD PERIFERICA


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Se refiere a la magnitud lineal de la velocidad de la pieza en su dimetro

exterior que es donde ocurre el contacto con la muela. Esta es igual a:

1. Vp= wp*rpieza

Donde:

wp: Velocidad angular de la pieza

rpieza: Radio de la pieza

La solidez del rotorde una turbina elica

El trmino solidez describe la fraccin del rea de barrido que es slida. Las

turbinas elicas con grandes nmeros de palas se les conoce como turbinas de

alta solidez; las turbinas con pequeo nmero de palas se les denomina

turbinas de baja solidez. Los molinos de viento multipalas son de rotores de

alta solidez, y los modernos aerogeneradores (con una, dos o tres palas) tienen

rotores de baja solidez. Con el fin de extraer la energa del viento lo ms

eficientemente posible, las palas deben interactuar lo mximo posible con el

viento que pasa a travs del rea de barrido del rotor. Las palas de una turbina

elica multipala interactan con todo el viento a muy baja razn de velocidad

de punta; sin embargo, las palas de una turbina de baja solidez tienen que

viajar ms rpidamente para virtualmente llenar el rea de barrido con el fin de

interactuar con todo el viento que pasa a travs de l. Si la razn de punta es

de

masiado baja, parte del viento que pasa a travs del rea de barrido del rotor

viajara sin interactuar con las palas; sin embargo, si la razn de velocidad de

punta es demasiado alta, la turbina ofrece mucha resistencia al viento y parte

de este pasar bordendolo. Un rotor de dos palas (bipala) ms ligero, con

palas con el mismo ancho de uno de tres palas (tripala), tendr una razn develocidad de punta un tercio mayor que el rotor de tres palas. Un rotor de una

pala con palas del mismo ancho que uno de dos palas, tendr una razn de

velocidad de punta dos veces mayor que el de dos palas. Las razones de

velocidades ptimas para las turbinas elicas modernas de baja solidez se


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ubican en el intervalo de 6 a 20.De lo anterior se desprende que los rotores de

turbinas elicas con ms palas tienen que ser ms eficientes, pero la

interferencia de una pala con otra no posibilita que esta teora se cumpla. Los

mayores nmeros de palas hacen que una pala interfiera con la ms cercana,

lo que provoca prdida de la eficiencia, por lo que las turbinas elicas de alta

solidez tienden a ser menos eficientes que las de baja solidez. De las de baja

solidez, las de tres palas tienden a ser ms eficientes; los rotores de dos palas

son ligeramente menos eficientes, y los rotores de una pala ligeramente menos

eficientes an. En la figura 1 se puede observar este efecto.

Potencia mecnica

La potencia mecnica que una turbina elica extrae del viento es el producto de

la velocidad angular por el torque impartido por el viento al rotor. El torque es el

momento alrededor del centro de rotacin debido a la fuerza impartida por el

viento a los labes del rotor. El torque es usualmente medido en newton-metro

(Nm). Para un cierto valor de potencia, la menor velocidad angular se

corresponde con un torque mayor; e inversamente, la mayor velocidad angular

se corresponde con el menor torque.

Las bombas que se emplean en las turbinas elicas para el bombeo de agua

requieren un alto torque de arranque para funcionar. Las turbinas multipalas

son, por tanto, las que generalmente seemplean para bombear agua, ya que

sus bajas relaciones de velocidad de punta traen como resultado altos torques.

Las cajas de transmisin (reductoras y multiplicadoras)

Como los generadores elctricos convencionales empleados en las turbinas

elicas giran a velocidades muchas veces mayor que la mayora de los rotores

de las turbinas elicas, estos generalmente requieren de alguna forma de

multiplicacin de la velocidad. Algunas velocidades tpicas de los generadoresen sistemas donde la frecuencia de la electricidad es 60 Hz, son: 3 540, 1 750,

1 150 y 860 rpm. Las turbinas elicas de baja solidez son mejores para la

generacin de electricidad que las de alta solidez, ya que operan a mayores

razones de velocidad de punta y, por tanto, no requieren razones de


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multiplicacin tan altas para poner en fase la velocidad del rotor con la del

generador. Esto lo hacen las cajas multiplicadoras.

Todo lo contrario ocurre en las mquinas elicas empleadas para el bombeo

mecnico de agua, es decir, para extraer agua con bombas de mbolo, donde

la velocidad de estas bombas debe ser baja para que trabajen correcta y

eficientemente. Entonces en estos casos se emplean cajas reductoras de

velocidad normalmente de 1:3.

OBJETIVOS

Conocer la clasificacin de las maquinas elicas segn la posicin de su eje

de giro respecto a la direccin del viento.

Reconocer que las aeroturbinas de eje horizontal se encuentran mas

desarrolladas, tanto desde el punto de vista tcnico como del comercial.

Conocer que los equipos elicos instalados generen la mayor cantidad de

energa posible.

Conocer que el rendimiento aerodinmico es mejor cuando el perfil de las

palas presentan un angulo de calaje o inclinacin.

MATERIALES Y EQUIPOS

Aerogenerador.

Metro o flexometro.

PROCEDIMIENTO

Efectuar el anlisis TSR del aerogenerador de laboratorio de energas.

Efectuar la medicin de la cuerda.

Efectuar el anlisis de accionamiento de la aeroturbina de generacin

elctrica.

De acuerdo a la medicin de RPM, calcular la velocidad en [m/seg].


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CUESTIONARIO

1. EXPLICAR PORQUE SE ELIGE UN TSR ELEVADO PARA LAS

MAQUINAS ELICAS RAPIDAS.

La relacin de velocidad especfica o perifrica TSR,Tip-Speed-Ratio, es un

trmino que sustituye al nmero de revoluciones por minuto n del rotor;

sirvepara comparar el funcionamiento de mquinas elicas diferentes, por lo

que tambin se le suele denominarvelocidad especfica.El TSR indica que laperiferia de la pala circula a una velocidad TSR veces mayor que la

velocidad delviento vy es la relacin entre la velocidad perifrica ude la

pala (Rw) la del punto ms exterior sobre lamisma a partir del eje de

rotacin, y la velocidad vdel viento.Si se conoce la velocidad vdel viento, el

radio de la pala y el nmero nde rpm a las que funciona, sepuede calcular

el TSR a cualquier distancia rcomprendida entre el eje de rotacin del rotor

y la periferiade la pala, relacin entre velocidades que se conoce como SR,y es de la

2. EXPLICAR LOS GENERADORES ELECTRICOS DE:

A. CORRIENTE CONTINUA (DINAMOS)

Produccin de corriente alterna en una espira que gira en el seno de un campo

magntico

Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre las

masas polares de un electroimn inductor (vase Figura 1.1), los conductores a

y b del inducido cortan en su movimiento el campo magntico fijo y en ellos se

induce una f.e.m. inducida cuyo valory sentido vara en cada instante con la
http://www.monografias.com/trabajos10/riel/riel.shtml#corrhttp://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos10/riel/riel.shtml#corr


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posicin.Cada uno de los terminales de la espira se conecta a un anillo

metlico conductor, donde dos escobillas de grafito recogen la corriente

inducida y la suministran al circuito exterior.Para determinar el sentido de la

corriente inducida, en cada posicin de los conductores, de la espira se aplica

la regla de los tres dedos de la mano derecha, pudindose comprobar cmo se

obtiene a la salida una tensin alterna senoidal.

Rectificacin de la corriente mediante el colector de delgas

Dado que lo que deseamos es obtener corriente continua en la salida del

generador, necesitamos incorporar un dispositivo que convierta la C.A.

generada en C.C. Esto se consigue mediante el colector de delgas.

Si, tal como se muestra en la Figura 1.2, conectamos los dos extremos de la

espira, no ya en los dos anillos colectores, sino en dos semianillos conductores

aislados uno del otro, sobre los que ponemos en contacto dos escobillas que

recojan la corriente, conseguiremos obtener a la salida C.C.

B. CORIIENTE ALTERNA (ALTERNADOR)

Los alternadores son las mquinas que transforman la energa mecnica en

energa elctrica bajo la forma de corriente alterna. Existen alternadores

monofsicos, bifsicos o trifsicos. Emplendose en la prctica alternadores

trifsicos. La constitucin general del alternador trifsico aparece en la figura.

Los alternadores trifsicos se construyen para una frecuencia fija (50 Hz), por

ello la velocidad de rotacin es tambin siempre fija. Existiendo en este ltimo

caso dos tipos: generadores sincrnicos o alternadoresy generadores

asincrnicos o de induccin. Las dnamos tienen el inconveniente deutilizar

escobillas, que exigen mantenimiento peridico, y son ms pesadas y caras

quelos generadores de corriente alterna (C.A.) de igual potencia; aunque tienenla ventajade no necesitar de sistemas especiales para cargar bateras, su uso

se ha idoabandonando reemplazndolos por los generadores de C.A., con la

excepcin de algunosequipos para proveer muy bajas potencias, de

construccin artesanal.El tipo de generador de C.A. que se utilice depende
http://www.monografias.com/trabajos11/tebas/tebas.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos11/tebas/tebas.shtml


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fundamentalmente de lascaractersticas del servicio a prestar. Como regla

general puede decirse que losalternadores son mayoritariamente usados en

mquinas que alimentan instalacionesautnomas y los generadores de

induccin en turbinas elicas interconectados con otrossistemas de generacin.

C. APLICACIONES EN AEROGENERADORES HORIZONTALES

RAPIDOS Y LENTOS

Aerogeneradores de eje horizontal o HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine).

En estos modelos el ejede rotacin es paralelo a la direccin del viento, de

forma similar a la de los clsicos molinos de viento. Estetipo de

aerogeneradores, a su vez, se pueden clasificar, segn suvelocidad de giro,

en:

Aerogeneradores lentos: En general, estn constituidos por un

nmero alto de palas, multipalas,que cubren casi toda la superficie

del rotor. Poseen un elevado par de arranque, gracias al cualpueden

ponerse en marcha incluso con velocidades de viento muy bajas. Su

baja velocidad derotacin hace que sean poco tiles para la

produccin de electricidad, siendo su uso msfrecuente para el

bombeo de agua.

Aerogeneradores rpidos: Presentan un par de arranque pequeo

y requieren velocidades deviento del orden de 4 a 5 m/s para su

puesta en marcha. La mayora poseen tres palas y seutilizan para la

produccin de electricidad, a travs de su acoplamiento con un

alternador. Sugama de potencias es muy amplia, va desde modelos

de 1 kW, usados en instalacionesautnomas, a modelos de gran

potencia.

Los principales tipos de mquinas elicas de eje horizontal, son: Mquinas que generan un movimiento alternativo, que se utilizan para

elbombeo de agua.

Mquinas multipalas.

Hlices con palas pivotantes (ngulo de ataque variable).


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Hlices con palas alabeadas, muy sofisticadas, que incluyen clapetas

batientes yalerones de ngulo variable.

3. EXPLICAR PORQUE EL ROTOR MULTIPALA SE UTILIZA PARA EL

BOMBEO DE AGUA

Una bombeadora de agua es un molino con un elevado momento de torsin y

de baja velocidad, se usan con mayor frecuencia en las regiones rurales. Las

bombeadoras de agua se emplean sobre todo para drenar agua del subsuelo.

Estas mquinas se valen de una pieza rotatoria, cuyo dimetro suele oscilar

entre 2 y 5 m, con varias aspas oblicuas que parten de un eje horizontal. La

pieza rotatoria se instala sobre una torre lo bastante alta como para alcanzar el

viento. Una larga veleta en forma de timn dirige la rueda hacia el viento. La

rueda hace girar los engranajes que activan una bomba de pistn. Cuando los

vientos soplan en exceso, unos mecanismos de seguridad detienen de forma

automtica la pieza rotatoria para evitar daos en el mecanismo.

Para el bombeo de agua mediante la energa elica, pueden emplearse dos

formas bsicas:

Bombeo mecnico

Bombeo elctrico

Bombeo mecnico del agua

Una de las formas para el bombeo del agua en forma mecnica, consiste en

la utilizacin de una bomba a pistn, que provoca la aspiracin en la tubera

sumergida y la expulsin hacia un depsito de acumulacin, tal como se

muestra en forma esquemtica en la figura.

Es necesario para lograr este objetivo, conectar la bomba a un dispositivo o

engranaje diseado especialmente. En general es preferible que el bombeo se

efecte en forma lenta, a fin de reducir al mnimo la resistencia a la circulacindel agua por las caeras. Por ello en la aplicacin mecnica de los sistemas

elicos para bombear el agua, no se requiere una velocidad de giro del rotor

elevada, debiendo contar, sin embargo, con un alto par de arranque, para

vencer la inercia del equipo.


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Los molinos tipo multipalas convencionales, cumplen con estas condiciones

contando con un alto par de arranque.

CAPACIDAD DE MOLINOS DE VIENTO PARA ELEVACIN DE AGUA

Dimet ro

(m )

Veloc.Viento

(km /h)

Revoluc.

por min .

l /min . de agua elevados a una altura de m

7,5 15 22,5 30 45 60

2,6 26 45 23 11 ... ... ... ...

3 26 40 72 36 25 18 ... ...

3,6 26 35 128 68 45 32 22

4,3 26 30 171 85 60 43 30 19

4,9 26 25 245 120 74 61 37 315,5 26 23 370 197 123 92 66 46

6,1 26 21 473 241 154 118 73 60

7,6 26 17 804 405 271 188 141 101

Bombeo elctrico del agua

Para el bombeo del agua se emplea una bomba elctrica, cuyo motor se

conecta a los terminales del generador elico o a los polos de la bateraacumuladora en caso de utilizarse.

4. EXPLICAR LOS MECANISMOS DE ORIENTACION UTILIZADOS EN

AEROGENERADORES DE EJE HORIZONTAL

El mecanismo de orientacin de un aerogenerador es utilizado para girar el

rotor de la turbina en contra del viento.

Se dice que la turbina elica tiene un error de orientacin si el rotor no est

perpendicular al viento. Un error de orientacin implica que una menor

proporcin de la energa del viento pasar a travs del rea del rotor (para

aqullos que saben matemticas, est proporcin disminuir con el coseno del

error de orientacin).


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Si esto fuera lo nico que ocurre, el mecanismo de orientacin sera una

excelente forma de controlar la potencia de entrada al rotor del aerogenerador.

Sin embargo, la parte del rotor ms prxima a la direccin de la fuente de

viento estar sometida a un mayor esfuerzo (par flector) que el resto del rotor.

De una parte, esto implica que el rotor tendr una tendencia natural a

orientarse en contra del viento, independientemente de si se trata de una

turbina corriente abajo o corriente arriba. Por otro lado, esto significa que las

palas sern torsionadas hacia ambos lados en la direccin de "flap" (direccin

perpendicular al plano del rotor) a cada vuelta del rotor. Por tanto, las turbinas

elicas que estn funcionando con un error de orientacin estarn sujetas a

mayores cargas de fatigaque las orientadas en una direccin perpendicular al

viento.

5. DESARROLLAR BASICAMENTE EL DIMENSIONADO DE UN ROTOR

EOLICO HORIZONTAL

TAMAO DE LAS PALAS Y COEFICIENTE DE SOLIDEZ ( ).

Cuando una mquina elica dispone de un nmero determinado de palas Z, la

superficietotal de las mismas se calcula mediante la expresin:

rea total de las palas = Z S = Solidez ( ) rea barrida por el rotor (A)

Por lo que la solidez () del rotor, como ya habamos visto, se puede

interpretar comola relacin entre el rea geomtrica de la pala, S = R L , y el

rea barrida por ella en sugiro.

FUERZA CENTRFUGA

La fuerza centrfuga empuja las palas hacia afuera y tiende a arrancarlas del

cubo delRotor; Como la velocidad del viento est elevada al cuadrado, un

aumento brusco de la mismaoriginara un gran aumento en la fuerza centrfuga.

REA FRONTAL BARRIDA POR LA PALA.El rea A barrida por el rotor y que ste presenta frontalmente al viento, es

unparmetro que se utiliza con cierta frecuencia en los clculos de energa

elica.Esta rea, para una hlice, es la superficie total barrida por las palas del

rotor,perpendicular a la direccin del viento.
http://intranet2.minem.gob.pe/web/archivos/dge/publicaciones/uso/1/01/02/08/es/tour/wtrb/powerreg.htmhttp://intranet2.minem.gob.pe/web/archivos/dge/publicaciones/uso/1/01/02/08/es/tour/design/updown.htmhttp://intranet2.minem.gob.pe/web/archivos/dge/publicaciones/uso/1/01/02/08/es/tour/design/index.htm#anchor989446http://intranet2.minem.gob.pe/web/archivos/dge/publicaciones/uso/1/01/02/08/es/tour/design/index.htm#anchor989446http://intranet2.minem.gob.pe/web/archivos/dge/publicaciones/uso/1/01/02/08/es/tour/design/updown.htmhttp://intranet2.minem.gob.pe/web/archivos/dge/publicaciones/uso/1/01/02/08/es/tour/wtrb/powerreg.htm


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RESISTENCIA AERODINMICA DE LA PALA.

Una frmula aproximada para determinar la resistencia aerodinmica de

unaerogenerador en rotacin, inmerso en una corriente de aire de velocidad V.

6. SEA UNA HELICE TRIPALA DE 3.7 [m] DE DIAMETRO, ESTA

GIRANDO EN UNA CORRIENTE DE AIRE DE VELOCIDAD DE 8.94

[m/s]. CALCULAR:

FUERZA AERODINAMICA

()

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