DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE...

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE TURBINA EÓLICA DE 60

W, PARA SUMINISTRO ELÉCTRICO DE ZONAS URBANAS

DANIEL ENRIQUE LUGO GARCIA

LAURA DANIELA BEJARANO ACERO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2015

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE TURBINA EÓLICA DE 60

W, PARA SUMINISTRO ELÉCTRICO DE ZONAS URBANAS

.

DANIEL ENRIQUE LUGO GARCIA

LAURA DANIELA BEJARANO ACERO

MONOGRAFÍA

GERMÁN LÓPEZ

Director

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C

2015

5

Contenido ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................... 8

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ................................................................................ 9

LISTA DE SÍMBOLOS ........................................................................................... 11

RESUMEN ............................................................................................................ 13

ABSTRACT ........................................................................................................... 14

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 15

2. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................. 15

3. OBJETIVOS .................................................................................................... 16

3.1. Objetivo General ...................................................................................... 16

3.2. Objetivos Específicos ............................................................................... 16

4. Marco Teórico ................................................................................................. 16

4.1. Energía útil del viento ............................................................................... 16

4.2. Tipos de aerogeneradores ....................................................................... 18

4.2.1. Aerogeneradores de eje vertical ........................................................ 19

4.2.2. Aerogeneradores de eje horizontal .................................................... 19

4.2.3. Relación de velocidad periférica TSR. .................................................. 20

5. ESTADO DEL ARTE....................................................................................... 21

5.1. Antecedentes históricos ........................................................................... 21

5.2. Marco actual ............................................................................................. 22

5.2.1. Diseño de un generador eólico de eje vertical de baja potencia,

universidad tecnológica de Pereira ................................................................. 22

5.2.2. Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical

para generación de baja potencia, universidad industrial de Santander. ........ 23

5.2.3. Diseño de detalle de un generador eólico tipo savonius, Escuela de

Ingeniería de Antioquia ................................................................................... 24

5.2.4. Diseño de un aerogenerador de eje vertical tipo savonius para

electrificación rural, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de

Telecomunicación. .......................................................................................... 25

6. METODOLOGÍA ............................................................................................. 26

7. DISEÑO DEL AEROGENERADOR ................................................................ 27

7.1. Determinación de la velocidad nominal del viento ................................... 27

7.2. Selección del aerogenerador ................................................................... 31

7.2.1. Metodología de selección. ................................................................. 31

6

7.2.2. Requisitos del Dispositivo. ................................................................. 31

7.2.3. Alternativas de diseño ....................................................................... 31

7.2.4. Criterios de selección. ....................................................................... 32

7.2.5. Evaluación de las alternativas ........................................................... 32

7.2.6. Selección del diseño óptimo .............................................................. 33

7.3. Rendimiento del aerogenerador ............................................................... 34

7.3.1. Rendimiento eléctrico y mecánico ..................................................... 34

7.3.2. Rendimiento aerodinámico ................................................................ 35

7.4. Diseño del rotor ........................................................................................ 36

7.4.1. Parámetros Iniciales .......................................................................... 36

7.4.2. Área de barrido .................................................................................. 36

7.4.3. Selección del tipos de turbina Savonius ............................................ 38

7.4.4. Diseño de los alabes ......................................................................... 39

7.4.5. Determinación de la velocidad angular del aerogenerador ................ 40

7.4.6. Determinación del torque ................................................................... 41

7.4.7. Influencia del viento sobre los alabes ................................................ 41

7.4.8. Selección del material ........................................................................ 41

7.5. Diseño del eje .......................................................................................... 42

7.5.1. Aplicación .......................................................................................... 42

7.5.2. Ambiente ........................................................................................... 42

7.5.3. Cargas y esfuerzos. ........................................................................... 42

7.5.4. Material .............................................................................................. 43

7.5.5. Resistencia real a la fatiga ................................................................ 44

7.5.6. Factores de diseño ............................................................................ 44

7.5.7. Geometría del eje .............................................................................. 45

7.5.8. Factor de diseño ................................................................................ 45

7.5.9. Selección de rodamientos ................................................................. 47

7.5.10. Transmisión del eje ........................................................................ 50

7.6. Diseño De La Estructura .......................................................................... 51

7.6.1. Requisitos De Diseño ........................................................................ 51

7.6.2. Tipo de estructura .............................................................................. 52

7.6.3. Seccion superior ................................................................................ 53

7

7.6.4. Sección inferior .................................................................................. 54

7.6.5. Resultados del estudio ...................................................................... 56

7.7. Selección del generador ........................................................................... 58

7.8. Selección de la transmisión ...................................................................... 60

7.8.1. Requisitos de diseño ......................................................................... 60

7.8.2. Alternativas de diseño ....................................................................... 61

7.8.3. Criterios de selección ........................................................................ 61

7.8.4. Análisis de decisiones ....................................................................... 62

7.9. Sistema Eléctrico ..................................................................................... 64

8. FABRICACIÓN ............................................................................................... 65

8.1. Corte ........................................................................................................ 65

8.2. Rolado ...................................................................................................... 66

8.3. Mecanizado .............................................................................................. 67

8.4. Soldadura ................................................................................................. 67

9. COSTOS DE FABRICACIÓN ......................................................................... 68

10. RESULTADOS ............................................................................................ 69

10.1. Instalación y montaje ............................................................................ 69

10.2. Funcionamiento .................................................................................... 71

10.3. Potencia generada ................................................................................ 73

7. CONCLUSIONES ........................................................................................... 73

Bibliografía ............................................................................................................ 75

ANEXOS ............................................................................................................... 77

ANEXO A .............................................................................................................. 77

ANEXO B .............................................................................................................. 81

8

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1, velocidad media horario de la tarde, estación de la universidad distrital . 30

Tabla 2, a) savonius .............................................................................................. 32

Tabla 3, b) darrieus ............................................................................................... 32

Tabla 4, c) multipala .............................................................................................. 32

Tabla 5, d) hibrido ................................................................................................. 33

Tabla 6, selección del prototipo ............................................................................. 33

Tabla 7. Rendimientos típicos en aerogeneradores (Franquesa, 2009) ................ 34

Tabla 8. Parámetros iniciales para el diseño del aerogenerador. (Autores) .......... 36

Tabla 9área barrida requerida según potencia útil (autores) ................................. 37

Tabla 10. Datos iniciales, cálculo del eje (autores) ............................................... 42

Tabla 11 ,Propiedades mecánicas Acero AISI 1020 ............................................ 44

Tabla 12. Factores hallados .................................................................................. 45

Tabla 13. Valores de velocidad fuerza y torque .................................................... 45

Tabla 14, Resultados Diseño del Eje .................................................................... 46

Tabla 15 Información del modelo. (SOLIDWORKS, 2014) .................................... 55

Tabla 16. Sujeciones (SOLIDWORKS, 2014) ....................................................... 55

Tabla 17 Cargas. (SOLIDWORKS, 2014) ............................................................. 56

Tabla 18. Resultados tensión Von Mises (SOLIDWORKS, 2014) ......................... 57

Tabla 19. Resultados factor de seguridad (SOLIDWORKS, 2014) ....................... 58

Tabla 20.Análisis de decisiones ............................................................................ 62

Tabla 21 Costos de fabricación (autores) ............................................................. 68

Tabla 23. Propiedades de aceros (Vanegas Useche, 2011) ................................. 77

Tabla 24. Factor de diseño (MOTT, 2006) ............................................................ 77

Tabla 25. Factor de material (MOTT, 2006) .......................................................... 77

Tabla 26, factores de confiabilidad aproximados CR (MOTT, 2006) ..................... 78

Tabla 27. Factor de tipo de esfuerzo (MOTT, 2006) ............................................. 78

Tabla 28. Tamaño de la cuña en función del diámetro del eje (MOTT, 2006) ....... 79

Tabla 29.rodamientos de contacto angular (AB SKF) ........................................... 79

Tabla 30, soportes de brida (AB SKF) ................................................................... 80

9

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1. Área A barrida por el rotor de diámetro D (Fernández Díez, 2007).. 17

Ilustración 2, sustentación aerodinámica (ABB, 2012) .......................................... 18

Ilustración 3. Rotor Savonius, Rotor Darrieus, rotor hibrido (Ahrtz, 2011)

(Fernández Díez, 2007) ........................................................................................ 19

Ilustración 4, tipos de rotores de eje horizontal. (OLADE, 1980) ........................... 20

Ilustración 5. Curvas (Cp-TSR) (Fernández Díez, 2007) ....................................... 21

Ilustración 6, metodología ..................................................................................... 26

Ilustración 7, velocidad media del viento en superficie, promedio anual Colombia

(ministerio de ambiente vivienda y desarrollo territorial, 2006).............................. 27

Ilustración 8, Velocidad (Superficie en colores y vectores) y dirección (vectores)

del viento en Bogotá durante 2014. ((RMCAB), 2015) .......................................... 28

Ilustración 9, muestra el comportamiento de la velocidad del viento según su

horario.. ((RMCAB), 2015) .................................................................................... 29

Ilustración 10, presenta promedio de los valores máximos en cada mes durante el

año 2014 comparado con años anteriores ((RMCAB), 2015) ............................... 29

Ilustración 11, metodología de selección .............................................................. 31

Ilustración 12. Curvas (Cp-TSR) (Fernández Díez, 2007) ..................................... 35

Ilustración 13, área barrida .................................................................................... 38

Ilustración 14, Tipos de distribución para aerogeneradores Savonius .................. 38

Ilustración 15. Modulación elegida ........................................................................ 39

Ilustración 16. Parámetros de un Rotor Savonius (Rodriguez Devis, 2011) .......... 39

Ilustración 17. Carga de viento sobre el eje (autores) ........................................... 43

Ilustración 18, diagrama de fuerzas ...................................................................... 46

Ilustración 19. Diagrama carga cortante y flexión, (philpot) ................................... 46

Ilustración 20. Carga radial carga axial ................................................................. 48

Ilustración 21. Soporte de brida (AB SKF) ............................................................ 48

Ilustración 22. Cargas rodamientos (FAG Bearings, 2000) ................................... 49

Ilustración 23. Rodamiento contacto angular (AB SKF) ........................................ 49

Ilustración 24. Soporte de rodamiento ................................................................... 50

Ilustración 25. Soporte de brida ............................................................................. 50

Ilustración 26. Chaveta .......................................................................................... 51

Ilustración 27. Diseño final .................................................................................... 51

Ilustración 28, Tipos de torres (ABB, 2012) ........................................................... 52

Ilustración 29. Estructura de soporte ..................................................................... 53

Ilustración 30. Materiales estructura superior ........................................................ 53

Ilustración 31. Materiales estructura inferior .......................................................... 54

Ilustración 32, motor bicicleta (biologica) .............................................................. 60

Ilustración 33.b) Transmisión por correa en v (INTERMEC.) ................................ 61

Ilustración 34.a) Transmisión por cadena (INTERMEC.) ...................................... 61

Ilustración 35.d) Transmisión por engranajes. (ENDEFCA) .................................. 61

Ilustración 36.c) Transmisión por correa dentada (INTERMEC.) .......................... 61

10

Ilustración 37. Platos bicicleta ............................................................................... 63

Ilustración 38. Soporte platos ................................................................................ 63

Ilustración 39. Piñón motor .................................................................................... 64

Ilustración 40. Diagrama de bloques circuito ......................................................... 65

Ilustración 41, corte laser ...................................................................................... 66

Ilustración 42, desarrollo lamina ............................................................................ 66

Ilustración 43, montaje final eje ............................................................................. 67

Ilustración 44, estructura soldada .......................................................................... 67

Ilustración 45 Relación porcentual Costos de Fabricación (autores) ..................... 69

Ilustración 46, montaje estructura ......................................................................... 70

Ilustración 47, alabes instalados ........................................................................... 71

Ilustración 48, sistema de trasmisión instalado ..................................................... 71

Ilustración 49, instalación final aerogenerador tipo savonius ................................ 72

Ilustración 50. Curva Característica del Aerogenerador (autores) ......................... 73

Ilustración 50.Resistencia a la fatiga Sn en función de la resistencia a la tensión,

para acero forjado con varias condiciones de superficie (MOTT, 2006) ............... 78

Ilustración 51, factor de tamaño (MOTT, 2006) ..................................................... 79

11

LISTA DE SÍMBOLOS

P Potencia [W]

ρ Densidad del aire [kg/m3]

v Velocidad del viento [m/s]

A Área de barrido [m2]

Cp. Coeficiente de potencia [ - ]

TSR Velocidad tangencial o específica (Tip Speed Ratio) [ - ]

r Radio del aerogenerador [m]

n Revoluciones por minuto [r/min]

V Velocidad nominal del viento [m/s]

P Presión [Pa]

s Traslapo entre álabes [m]

d Diámetro del rotor [m]

e Distancia entre álabes [m]

a Ancho del álabe [m]

h Altura del rotor [m]

h Altura del álabe

12

T Torque [Nm]

Pn Potencia eólica nominal [W]

ηe Eficiencia eléctrica

V Voltaje [V]

I Corriente [A]

F Fuerza [N]

m Masa [Kg]

A Área [m2]

r Radio [m]

wt Espesor de la tapa [m]

T Par de torsión nominal máximo [Nm]

J Momento polar de inercia [m4]

c Radio de sección transversal del árbol [m]

D Diámetro del árbol [m]

g Gravedad [Kg m/s2]

M Momento flector [Nm]

13

RESUMEN

En el siguiente proyecto se realizó el diseño y construcción de un prototipo de

turbina eólica de eje vertical tipo Savonius, para el suministro eléctrico de zonas

urbanas; para eso se realizó un análisis sobre el potencial eólico de la

Universidad Distrital Francisco José De Caldas sede Tecnológica; luego se

seleccionó el aerogenerador más apropiado a partir de cuatro opciones. Una vez

escogida la mejor opción se delimitaron y definieron todas sus variables,

incluyendo aspectos de materiales, geometría y resistencia. Una vez realizado el

diseño preliminar, se procedió a generar planos y así realizar su proceso de

fabricación. Finalmente se realizó el ensamblaje y puesta a punto del equipo, para

realizar pruebas para validar los cálculos iniciales.

Palabras claves: aerogenerador, eje vertical, Savonius, diseño, y generador.

14

ABSTRACT The follow Project is about design and construction of a wind turbine prototype, for

electrical energy supply for urban areas, in this way was did an analysis of the wind

potential of the University Francisco Jose De Caldas, Technological headquarters,

then select the turbine which was more appropriate. After selecting the best option

was delimited and defined all its variables, including aspects of materials, geometry

and resistance. Once the preliminary design was done, we proceeded to generate

engineering drawings for build and manufacturing process. Finally was assembled,

and was made the tuning process, was made testings to validate the initial

calculations.

Keywords: wind turbine, vertical axis, savonius, design, and generator.

15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La red eléctrica en zonas urbanas cuenta con una gran cobertura, sin embargo en

lugares públicos como zonas verdes, universidades, zonas de circulación peatonal

(paraderos, ciclo rutas, estaciones de trasporte) la red se limita al servicio de

iluminación, y no permite que se le dé otros usos, como carga de dispositivos

eléctricos. Por tal razón el presente trabajo pretende dar una alternativa de

producción de energía, en zonas urbanas utilizando un recurso natural renovable.

2. JUSTIFICACIÓN

Colombia cuenta con un elevado potencial de energía renovable (sol, viento,

biomasa, agua y geotermia) su aprovechamiento origina grandes beneficios

ambientales, sociales y económicos para la Comunidad. Estos recursos pueden

convertirse en energía útil para ser consumida en hogares, oficinas, comunidades,

colegios, en transporte, aparatos electrónicos etc.

Es importante que se evalúen soluciones que sean amigables con el medio

ambiente y permitan el uso de recursos diferentes. Crear una cultura medio

ambiental que vaya de la mano, con las necesidades actuales es importante.

Dentro de los posibles tipos de recursos renovables que se pueden implementar

en la sociedad actual, se encuentra la energía eólica la cual está disponible y es

de fácil acceso.

Los grandes aerogeneradores se han convertido en artefactos más familiares en

los paisajes rurales, alejados de las grandes ciudades Nadie se extrañaría al ver

uno o varios aerogeneradores en campos abiertos, sin embargo, en las áreas

urbanas no es tan común. Existe un potencial significativo para generar energía

eólica dentro de estos ambientes. Por tal razón La instalación de una turbina

eólica garantizaría energía limpia, renovable.

16

3. OBJETIVOS

3.1. Objetivo General

Diseñar y construir un prototipo de turbina eólica que genere 60 W, trabajando en un rango de velocidades promedio del viento entre 2 y 4 m/s, para la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica.

3.2. Objetivos Específicos

Determinar las condiciones ambientales de operación del equipo.

Analizar mínimo cuatro tipos de turbina y seleccionar la que más se ajuste a los requerimientos.

Diseñar la turbina, ideando y seleccionando las piezas necesarias para su funcionamiento.

Construir el prototipo de turbina

Realizar puesta a punto del equipo.

Medir potencia generada por el equipo.

4. Marco Teórico

4.1. Energía útil del viento

El viento puede definirse como el desplazamiento más o menos rápido de una masa de aire entre zonas de diferente presión. Cuanto mayor sea la diferencia de presión, mayor será la velocidad de desplazamiento del aire y más fuerte será el viento.

Un aerogenerador o turbina eólica transforma la energía cinética del viento en energía eléctrica sin usar combustible, pasando por el estado intermedio de conversión a energía mecánica de rotación a través de las palas (ABB, 2012).

En una corriente de aire de densidad ρ y velocidad v, como se indica en la,

(Ilustración 1) la potencia eólica disponible que atraviesa una superficie A y hace

un recorrido L en el tiempo t, viene dada por la expresión (Fernández Díez, 2007):

𝑃viento =Ecinetica

t=

mv2

2t

=v2

2t(vtAρ) =

ρAv3

2= k ∗ v3

[ 1] (Fernández Díez, 2007)

17

Ilustración 1. Área A barrida por el rotor de diámetro D (Fernández Díez, 2007)

La sección A (Ver Ilustración 1) barrida por la pala en un aerogenerador de eje horizontal y diámetro D es:

A = πD2

4


Y la potencia del viento:

Pviento =πρD2v3

8


La velocidad del viento varía con el tiempo y, por lo tanto, su potencia N también variará; se puede considerar el valor medio de ambas, por ejemplo a lo largo de un año, obteniéndose:

P̂viento anual =1

2ρAv̂anual

3


Los aerogeneradores pueden ser de “sustentación” o de “resistencia” en función de cuál de las fuerzas generadas por el viento se use como “fuerza motriz”. Para entender el principio de funcionamiento de un aerogenerador se usara de referencia una las turbinas de uso más extendido en la actualidad, es decir, las de “sustentación”; en ellas, a diferencia de las de “resistencia”, el viento circula por ambas caras de la pala, las cuales tienen perfiles geométricos distintos, creando de esta forma un área de depresión en la cara superior respecto a la presión en la cara inferior4. Esta diferencia de presiones produce una fuerza llamada sustentación aerodinámica (Ilustración 2) sobre la superficie de la pala, de forma parecida a lo que sucede en las alas de los aviones (ABB, 2012).

18

Ilustración 2, sustentación aerodinámica (ABB, 2012)

4.2. Tipos de aerogeneradores En función de la tecnología de construcción, los aerogeneradores pueden dividirse en dos grandes familias:

Aerogeneradores de eje vertical –VAWT (Vertical Axis Wind Turbine);

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

A su vez los aerogeneradores VAWT, que representan el 1% del total, se

subdividen en:

Aerogeneradores del tipo Savonius;

Aerogeneradores del tipo Darrieus;

Aerogeneradores híbridos Darrieus-Savonius.

Los aerogeneradores HAWT, que representan el 99% del total, se subdividen en:

Aerogeneradores a barlovento (upwind);

Aerogeneradores a sotavento (downwind).

De entre los aerogeneradores de eje horizontal, un 99% son de tres palas, (ABB,

2012)

19

4.2.1. Aerogeneradores de eje vertical

4.2.1.1. Savonius

Siendo el modelo más sencillo consta de dos o tres alabes curvos, y se caracteriza

por trabajar en vientos de poca intensidad ya que trabajan en función de la fuerza

de arrastre que genera el viento sobre ellos (Ilustración 3).

4.2.1.2. Darrieus:

Un modelo un poco más eficiente, ya que las superficies expuestas al viento, son

un perfil de ala, la cual permite generar una distribución más correcta de la presión

del viento.

4.2.1.3. Hibrido Darrieus, Savonius.

Un generador, diseñado para trabajar como un darrieus típico, sin embargo posee

la ventaja de lograr arrancar a bajas velocidades gracias al aerogenerador

Savonius, que lo complementa.

Ilustración 3. Rotor Savonius, Rotor Darrieus, rotor hibrido (Ahrtz, 2011) (Fernández Díez, 2007)

4.2.2. Aerogeneradores de eje horizontal

4.2.2.1. Eje Horizontal A Barlovento

Llamados así porque el viento encuentra antes el rotor que la torre, tienen una

mayor eficiencia que los aerogeneradores a sotavento, ya que no presentan

interferencias aerodinámicas con la torre. En cambio, tienen el inconveniente de

no alinearse autónomamente con relación al viento, por lo que necesitan una aleta

direccional o un sistema de orientación.

20

4.2.2.2. Eje horizontal a sotavento

Causan los efectos negativos de la interacción torre-rotor, pero se alinean

autónomamente y pueden utilizar un rotor flexible para resistir los vientos fuertes

4.2.2.3. Eje horizontal de varias palas

El de tres palas es el modelo más generalizado, aunque existen modelos de dos

palas de una sola pala dotada de contrapeso que ya no se usan en la actualidad y

multipala, usado sobre todo en bombeo. (ABB, 2012)

Ilustración 4, tipos de rotores de eje horizontal. (OLADE, 1980)

4.2.3. Relación de velocidad periférica TSR. Es un término que sustituye al número de revoluciones por minuto en del rotor;

sirve para comparar el funcionamiento de máquinas eólicas diferentes, por lo que

también se le suele denominar velocidad específica. (Fernández Díez, 2007)

21

Ilustración 5. Curvas (Cp-TSR) (Fernández Díez, 2007)

Las aeroturbinas lentas tienen un TSR pequeño y gran número de palas;

Las aeroturbinas rápidas tienen un TSR alto y el número de palas tiende a ser menor.

El proceso de funcionamiento de estas máquinas es diferente, por lo que respecta al tipo de la acción debida al viento que las hace funcionar; en las máquinas lentas la fuerza de arrastre es mucho más importante que la de sustentación, mientras que en las máquinas rápidas la componente de sustentación es mucho mayor que la de arrastre. El número de palas también influye en el par de arranque de la máquina, de forma que una máquina con un rotor con gran número de palas requiere un par de arranque mucho mayor. (Fernández Díez, 2007)

5. ESTADO DEL ARTE

5.1. Antecedentes históricos

En 1888 Brush Construyó la que hoy se cree fue la primera turbina eólica de

funcionamiento automático para generación de electricidad.

Tenía un diámetro de rotor de 17 m y 144 palas fabricadas en madera de cedro. A

pesar del tamaño de la turbina, el generador era solamente de 2 kW, debido a que

22

las turbinas eólicas de giro lento del tipo americano, tienen una eficiencia media

baja La turbina funcionó durante 20 años actuando como cargador de baterías.

Poul la Cour (1846-1908), es considerado el pionero de las modernas turbinas

eólicas generadoras de electricidad. También fue uno de los pioneros de la

moderna aerodinámica, y construyó su propio túnel de viento para realizar

experimentos. En 1918 unas 120 empresas públicas locales tenían un

aerogenerador, generalmente del tamaño de 20 a 35 kW.

Durante la segunda guerra mundial, la compañía danesa de ingeniería F.L. midth

construyó diversos aerogeneradores bipala y tripala.

El innovador aerogenerador Gedser de 200 marcó los años de postguerra. La

turbina tripala con rotor a barlovento, con orientación electromecánica y un

generador asíncrono fue un diseño pionero de los modernos aerogeneradores. La

turbina disponía de regulación por pérdida aerodinámica. Funcionó durante 11

años sin mantenimiento

En los años 70, después de la primera crisis del petróleo (1973), el interés por la

energía eólica se reavivó con fuerza en muchos países. En Dinamarca, Alemania,

Suecia, el Reino Unido y los EE.UU., las compañías de energía dirigieron su

atención a la construcción de grandes aerogeneradores. En 1979 se construyeron

dos aerogeneradores Nibe de 630 kW. Las turbinas resultaron extremadamente

caras y, en consecuencia, el alto precio de la energía devino un argumento clave

en contra de la energía eólica.

La generación de aerogeneradores de 55 kW que fueron desarrollados en 1980-

1981 supuso la ruptura industrial y tecnológica para los modernos

aerogeneradores. El coste del kilovatio-hora (kWh) de electricidad cayó alrededor

de un 50 por ciento con la aparición de esta nueva generación. La industria eólica

se hizo mucho más profesional. La máquina Bonus 30 kW, fabricada desde 1980,

es un ejemplo de uno de los primeros modelos de los fabricantes actuales.

(Mancha, 2011)

5.2. Marco actual

5.2.1. Diseño de un generador eólico de eje vertical de baja potencia,

universidad tecnológica de Pereira (Torres Morimitsu, Diseño de un generador eólico deeje vertical de baja potencia,

2015)

En este trabajo, el análisis y diseño de un aerogenerador de eje vertical tipo

Savonius es desarrollado y planteado como un método para aprovechar el

potencial eólico de la Universidad Tecnológica de Pereira.

23

El generador eólico planteado trabaja con una velocidad de viento nominal de 4,2

m/s y 3 W de potencia, que se usaron dentro de un circuito para cargar una

batería de 12V, para ser utilizada en dispositivos tales como UPS, equipos

médicos y de comunicación.

El resultado del diseño es un rotor savonius compuesto por dos módulos, cada

uno de ellos integrado por dos álabes de perfil semicircular que generan un área

de barrido de 0,595𝑚2, distribuidos en una altura total de 1,09 m y un diámetro de

0,545 m.

Para la conversión de energía eólica a mecánica la autora elige un generador de

imanes permanentes marca I&A, modelo PMG200-0.05KW/200RPM, que cumple

con los requisitos de su diseño, adicionalmente usa un controlador marca Listen,

modelo LWLR01/12V. Este controlador permite ajustar las condiciones de salida, y

que es necesario para llevar a cabo el proceso de carga de la batería.

El proyecto no abarca la construcción del aerogenerador, pero cuanta con su

simulación 3D y validación por medio del software CAD SolidWorks.

5.2.2. Diseño y construcción de un prototipo de turbina eólica de eje vertical

para generación de baja potencia, universidad industrial de Santander. (Orduz Berdugo & Suárez Perez, 2011)

Este trabajo trata del diseño y construcción de un sistema prototipo para generación de electricidad a baja potencia. El diseño contempla los aspectos generales del diseño de un rotor de eje vertical de alabe recto. Además se incluye el desarrollo de un alternador de imanes permanentes para acople directo al equipo y la implementación de un sistema básico de rectificación de corriente. La metodología de trabajo propuesta, inicialmente se encamina a mencionar los aspectos teóricos y principios de ingeniería que gobiernan el funcionamiento de estas máquinas, así como las principales características y componentes asociados a un sistema de generación de baja potencia. Luego se expone el proceso de diseño, mencionando las variables involucradas en el cálculo, dimensionamiento, selección de parámetros de funcionamiento y elementos mecánicos del prototipo. El prototipo se concibe principalmente como un equipo de pruebas para efectos de medición y evaluación de parámetros de diseño y operación. Se resaltan los aspectos más importantes de la construcción, teniendo en cuenta que para tal fin, de igual manera se muestran los resultados de pruebas realizadas en campo con el objetivo de evaluar el comportamiento general de prototipo.

24

El prototipo planteado en este proyecto corresponde a un aerogenerador tipo Darrieus Giro Mill, los parámetros usados para su diseño fueron una velocidad nominal del viento de 7 m/s, y una potencia requerida de 50W. Con estos datos se

halló un área de barrido requerida de 0,8𝑚2, distribuidos en diámetro total del dispositivo 0,85m y altura 0,95 m. los alabes se construyeron usando un perfil NACA 0018. Para la conversión de energía mecánica a energía eléctrica se diseña un generador de imanes permanentes que junto a un circuito eléctrico entregue un voltaje de 12v. Los autores concluyen que el aerogenerador produce cerca de 44W y su arranque se da alrededor de los 3,5 m/s

5.2.3. Diseño de detalle de un generador eólico tipo Savonius,

Escuela de Ingeniería de Antioquia (Palacio, 2013)

En este trabajo se muestra el desarrollo del diseño conceptual y de detalle de un

aerogenerador tipo Savonius útil para su emplazamiento en las instalaciones de la

EIA (Escuela de Ingeniería de Antioquia) sede Palmas.

El proyecto plantea la generación de energía eólica a partir de velocidades del

viento bajas en este caso 3, 88 m/s. La potencia generada y las dimensiones del

aerogenerador se deciden evaluando el torque y la velocidad angular del

dispositivo, tomando un punto de equilibrio entre estos dos parámetros. El

resultado final es aerogenerador con un área de barrido de 2 𝑚2, dispuesta en una

altura de 2m y diámetro de 1 m, produciendo 8,09 W.

La pate eléctrica del equipo está constituida por un generador síncrono de imanes

permanentes de flujo axial que consiste en un estator que posee bobinas y un

rotor compuesto por dos platos separados los cuales poseen los imanes, este

generador no necesita corriente de excitación por lo que le da una eficiencia

superior indican los autores, este dispositivo no es comercial, dentro del

documento los autores dedican un capitulo para sus cálculos y diseños. Aparate

de esto el componente eléctrico cuenta con un sistema permite la carga de

baterías, y adicionalmente controla el sistema para que al excederse los 20 m/s

haga una desconexión para evitar voltajes indeseados en el generador eléctrico

causando posibles daños permanentes sobre la batería y circuito rectificador e

inversor.

25

5.2.4. Diseño de un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius para

electrificación rural, Escuela Técnica Superior de Ingenieros

Industriales y de Telecomunicación. (Arbeloa Sola & Zurita Gabasa, 2012)

El proyecto describe el cálculo y el diseño de un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius para electrificación rural aprovechando la energía del viento. El objetivo de éste fue proporcionar toda la información necesaria para la construcción e instalación de un aerogenerador de este tipo en la comunidad boliviana de Vilacollo. Los resultados arrojados fueron una velocidad nominal o de diseño de

8m/s, una potencia deseada de 100W, esto reflejado en un área barrida de 2 𝑚2, distribuidos en una altura de 2,2 m y diámetro de 1,1m, con un coste de 940 euros. Respecto a la conversión de energía hay un capitulo que plantea el diseño de un generador de imanes permanentes, y el diseño de un circuito eléctrico enfocado en cargar baterías de 12 v. El proyecto concluye que el desarrollo de este estudio es útil pues presenta una solución al problema sobre electrificación rural que hay en Bolivia, y que aun que no es un proyecto excesivamente económico, si presenta una solución de fácil fabricación.

26

6. METODOLOGÍA El proyecto se desarrolla en tres etapas de la siguiente manera (Ilustración 6, metodología)

Ilustración 6, metodología

La etapa uno se iniciara con un análisis sobre el potencial eólico en nuestra zona de interés, luego se realizara una selección del aerogenerador más apropiado en donde se tomaran estudiaran cuatro tipos de turbina. La etapa dos inicia una vez seleccionada la opción más fiable, se empieza dando parámetros al proyecto y así definir todas las variables del sistema, incluyendo aspectos de materiales, geometría y resistencia. Una vez realizado el diseño preliminar, se analizan los procesos de fabricación, el método de ensamble y se hace una simulación de su modo de trabajo, para terminar de definir el proyecto y llegar al diseño final que concluirá con la generación de los planos de fabricación, elección de materiales y proveedores que permitan comenzar con la fabricación. La etapa tres inicia durante el proceso de fabricación, se realizan pruebas preliminares que permitan hacer los ajustes que requiera el prototipo, se concluye con pruebas más extensas , con el fin de hacer la puesta a punto incluyendo todos los cambios que sean necesarios. Adicionalmente junto con el proceso de fabricación, pruebas y puesta a punto, se realiza una toma de datos, para validar el proyecto.

ETAPA 1 Análisis sobre el potencial eólico

Selección del tipo de

aerogenerador

ETAPA 2 Diseño del prototipo

Fabricacion del prototipo

ETAPA 3 Realizacion de pruebas

Documentacion

27

7. DISEÑO DEL AEROGENERADOR

7.1. Determinación de la velocidad nominal del viento El aerogenerador se ubicará en La Universidad Distrital Francisco José de Caldas

Facultad Tecnológica, Bogotá, Colombia. De tal modo que es necesario

determinar las condiciones ambientales de la zona.

Para Bogotá el promedio anual de la velocidad del viento, tiene valores de entre 1

y 3m/s según datos del atlas de vientos (Ilustración 7).

Ilustración 7, velocidad media del viento en superficie, promedio anual Colombia (ministerio de ambiente vivienda y desarrollo territorial, 2006)

28

Para obtener datos más detallados de Bogotá, se trabaja también con el Informe

anual de la calidad de aire 2014, el cual consta de 15 estaciones (Ilustración 8)

distribuidas en toda la ciudad, las cuales miden la precipitación de lluvia (mm), la

velocidad (m/s) dirección de los vientos, la temperatura (ºC), inversiones térmicas

y radiación solar (W/m²) entre otros valores.

Ilustración 8, Velocidad (Superficie en colores y vectores) y dirección (vectores) del viento en Bogotá durante 2014. ((RMCAB), 2015)

La Universidad Distrital Facultad Tecnológica se encuentra ubicada en la localidad

19 ciudad bolívar al sur de Bogotá, limitando al norte con la localidad de bosa, al

sur con la localidad de Usme, al oriente con la localidad de Tunjuelito y al

occidente con el municipio de Soacha (Ilustración 8).

29

Ilustración 9, muestra el comportamiento de la velocidad del viento según su horario. ((RMCAB), 2015)

Ilustración 10, presenta promedio de los valores máximos en cada mes durante el año 2014 comparado con años anteriores ((RMCAB), 2015)

30

De la Ilustración 8 se obtiene que para el área donde se encuentra la universidad,

existen valores promedios de entre 2 y 2.5 m/s. sin embargo estos valores

incluyen las 24 horas del día y al observar las ilustraciones 9 y 10 se pude

determinar que en horas de la tarde se generan los valores máximos de

velocidad, los cuales están por encima de 2m/s y pueden llegar a alcanzar los

4m/s.

Sin embargo, para hacer más representativa, la información se toma en cuenta los

datos de la estación ubicada en la universidad distrital (Tabla 1) facultad

tecnológica, la cual arroja un promedio de 3.33m/s durante las horas de la tarde en

9 meses durante el 2014 y 2015.

Tabla 1, velocidad media horario de la tarde, estación de la universidad distrital

Año Mes velocidad m/s

2014 Junio 5.35

2014 Julio 3.11

2014 Agosto 5.73

2014 Septiembre 4.78

2014 Octubre 2.17

2014 Noviembre 2.02

2014 Diciembre 2.02

2015 Enero 2.44

2015 Febrero 2.35

PROMEDIO 3.33

Teniendo en cuenta los datos observados para nuestra zona de interés se opta

por trabajar con un valor medio entre 2.5 y 4 m/s.

V=3.5 m/s

31

7.2. Selección del aerogenerador

7.2.1. Metodología de selección.

Ilustración 11, metodología de selección

7.2.2. Requisitos del Dispositivo.

1. Rendimiento: aproveche al máximo el potencial eólico.

2. Baja Velocidad de viento: Trabaje con velocidades de viento de entre 2 a

4 m/s.

3. Confiabilidad: ya que es un prototipo, se requiere que no exista altos

niveles de incertidumbre en cuanto a su diseño.

4. Tamaño: su área no debe exceder los 3𝑚2, que es un valor óptimo para su

fabricación.

5. Costo: su costo de fabricación debe ser bajo menor a $2’500.000.00

6. Mantenimiento: las piezas deben ser de fácil alcance y bajos costos

mantenimiento.

7.2.3. Alternativas de diseño

Para diseñar un generador, con velocidades tan bajas de viento, era necesario

escoger entre aquellos que requirieran la más baja velocidad de arranque.

Indicar los requisitos del dispositivo

Proponer alternativas de diseño

Definir criterios de seleccion

Evaluar las alternativas de diseño

Seleccionar el concepto de diseño optimo

32

Siendo así se preseleccionaron cuatro tipos de aerogeneradores, que se

encontraban dentro del rango de velocidades requeridas.

a) Aerogenerador de eje vertical tipo Savonius

b) Aerogenerador de eje vertical tipo Darrieus

c) Aerogenerador de eje horizontal multipala

d) Aerogenerador hibrido Darrieus giromill, Savonius

7.2.4. Criterios de selección.

Los criterios de selección son, la proporción en que se pueda cumplir cada

requisito de diseño. Se usa una escala de cinco puntos, donde cinco es la

calificación más alta.

7.2.5. Evaluación de las alternativas

Para poseer un criterio amplio de selección, se realizó un diseño preliminar de

cada, uno de los posibles prototipos.

Tabla 2, a) Savonius

CRITERIOS

A)

SAVONIUS

puntaje

RENDIMIENTO 3

VELOCIDAD 5

CONFIABILIDAD 5

TAMAÑO 4

COSTO 4

MANTENIMIENTO 5

TOTAL 26

Tabla 3, b) darrieus

CRITERIOS

B)

DARRIEUS

puntaje

RENDIMIENTO 5

VELOCIDAD 1

CONFIABILIDAD 2

TAMAÑO 5

COSTO 3

MANTENIMIENTO 2

TOTAL 18 Tabla 4, c) multipala

33

CRITERIOS

C)

MULTIPALA

puntaje

RENDIMIENTO 3

VELOCIDAD 5

CONFIABILIDAD 5

TAMAÑO 4

COSTO 1

MANTENIMIENTO 1

TOTAL 19

Tabla 5, d) hibrido

CRITERIOS

D)

HIBRIDO

puntaje

RENDIMIENTO 5

VELOCIDAD 4

CONFIABILIDAD 2

TAMAÑO 4

COSTO 1

MANTENIMIENTO 2

TOTAL 18

7.2.6. Selección del diseño óptimo Tabla 6, selección del prototipo

ALTERNATIVAS

CRITERIOS

A) B) C) D)

SAVONIUS DARRIEUS MULTIPALA HIBRIDO

RENDIMIENTO 3 5 3 5

BAJA VELOCIDAD DE VIENTO 5 1 5 4

CONFIABILIDAD 5 2 5 2

TAMAÑO 4 5 4 4

COSTO 4 3 1 1

MANTENIMIENTO 5 2 1 2

TOTAL 26 18 19 18

34

La mejor opción de diseño es un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius:

siendo el modelo más sencillo consta de dos o tres alabes curvos, y se caracteriza

por trabajar en vientos de poca intensidad ya que trabajan en función de la fuerza

de arrastre que genera el viento sobre ellos. Además que garantizan mayor

confiabilidad dado su diseño sencillo, que a su vez permite piezas de bajo costo

de fabricación y fácil acceso.

7.3. Rendimiento del aerogenerador

Es imposible convertir toda la energía cinética del viento en energía mecánica así

que es necesario distinguir entre pérdidas, mecánicas, eléctricas y aerodinámicas.

7.3.1. Rendimiento eléctrico y mecánico

El generador y todos los elementos asociados a él, tienen un porcentaje de

pérdidas, los elementos de transmisión ejes, rodamientos, correas, cadenas o

engranajes generan pérdidas mecánicas por fricción.

Se seleccionan los valores de eficiencia mecánica y eléctrica, tomando como

referencia rendimientos típicos usados en otros aerogeneradores. Siendo 0.95 y

0.90 para la eficiencia mecánica y eléctrica respectivamente.

Tabla 7. Rendimientos típicos en aerogeneradores (Franquesa, 2009)

35

7.3.2. Rendimiento aerodinámico

El rendimiento aerodinámico se define como la relación entre la potencia generada

por el aerogenerador y la energía del viento que atraviesa el rotor. (Fernández

Díez, 2007).

Ilustración 12. Curvas (Cp-TSR) (Fernández Díez, 2007)

Considerando las curvas (Cp-TSR) Ilustración 5, se puede obtener el valor del

rendimiento aerodinamico, teniendo en cuenta el tipo de aerogenerador a usar.

Los aerogeneradores Savonius obtienen su máximo rendimiento aerodinámico

para TSR pequeños, girando a baja velocidad con bajas velocidades de viento. En

este caso el rendimiento aerodinamico se tomara como 0.19, con un TSR de 0,8.

36

7.4. Diseño del rotor

7.4.1. Parámetros Iniciales

Parámetro Valor Fuente

Velocidad Del Viento 3.5m/S (Lamus Parra & Aguilar Olivares, 2009)

Densidad Del Aire 𝜌= 1 𝑘𝑔/𝑚3

(Ministerio de minas y nergias Republica de Colombia, 2013)

Potencia útil 60w Potencia esperada

𝜂𝑚: Eficiencia mecánica

0.95 (Franquesa, 2009)

𝜂𝑒: Eficiencia eléctrica

0.90 (Franquesa, 2009)

𝐶𝑝: Coeficiente de

potencia

0.19 (Fernández Díez, 2007)

Tabla 8. Parámetros iniciales para el diseño del aerogenerador. (Autores)

7.4.2. Área de barrido

Se procede a determinar el área, a partir de la ecuación de la energía cinética del

viento.

𝑃ú𝑡𝑖𝑙 =1

2𝜌𝐴𝑣3


Dónde:

𝑃ú𝑡𝑖𝑙: Potencia útil

𝜌: Densidad del aire

𝐴: Área barrida por el aerogenerador

𝑣: Velocidad del viento

Contemplando las posibles pérdidas, se tiene que la potencia nominal y el

rendimiento global del generador están dados por las ecuaciones:

𝑃𝑛𝑜𝑚 =𝑃ú𝑡𝑖𝑙

𝜂𝑡


37

𝜂𝑡 = 𝜂𝑚 ∗ 𝜂𝑒 ∗ 𝐶𝑝


Donde

𝑃𝑛𝑜𝑚: Potencia nominal

𝜂𝑡: Rendimiento global del generador

𝜂𝑚: Eficiencia mecánica

𝜂𝑒: Eficiencia eléctrica

𝐶𝑝: Coeficiente de potencia

Una vez obtenida la potencia nominal se puede obtener el área barrida por el

aerogenerador, de esta manera:

𝐴 =2𝑃𝑛𝑜𝑚

𝜌𝑣3


Sin embargo para una potencia de 60w, el área obtenida excedería el tamaño

óptimo de diseño, por tal razón se diseña un solo prototipo con una potencia de

10W.

Tabla 9, Área barrida requerida según potencia útil (autores)

Potencia Área barrida (m2)

10W 2.87

60W 17.23

Según la experiencia de otros autores, la relación entre el diámetro (d) y la altura (h), que mejor funciona está dada por la ecuación [ 8], para nuestra aplicación se distribuye tal como se ve en la Ilustración 13.

ℎ = 2𝑑 [8] (Fernández Díez, 2007)

38

Ilustración 13, área barrida

7.4.3. Selección de los tipos de turbina Savonius

Existes varios tipos de turbinas Savonius, en los que puede variar la distribución y

cantidad de sus alabes, o el uso de módulos en los que pueda estar dividido. (Ver

Ilustración 14)

Ilustración 14, Tipos de distribución para aerogeneradores Savonius

Sin embargo existen varios documentos donde se menciona, que tipo de

configuración es más funcional. En general los mejores resultados en este tipo de

generadores se obtienen usando dos alabes semicirculares y simétricos.

Adicionalmente para facilitar el par de arranque se divide la altura del rotor de tal

modo que se obtengan dos rotores iguales desfasados entre si 90°. (Rodriguez

Devis, 2011) (López, 2012)

Como se ve en la Ilustración 15 estos módulos llevan tapas divisoras, esto debido

a que mejoran el rendimiento aerodinámico, manteniendo la presión en el lado

interno de los alabes. (Rodriguez Devis, 2011)

39

Ilustración 15. Modulación elegida

7.4.4. Diseño de los alabes

Los parámetros geométricos más importantes de un rotor Savonius, son “S” que

es la distancia de separación, entre alabes, de sus extremos más cercanos al eje,

y “d” que es la distancia de separación, entre alabes, de sus extremos más

alejados del eje, como se ve en la Ilustración 16.

Ilustración 16. Parámetros de un Rotor Savonius (Rodriguez Devis, 2011)

Según el artículo de Rodriguez Devis, 2011, para alcanzar el mayor rendimiento

aerodinámico se deben aplicar las siguientes relaciones geométricas.

𝑠

𝑎=

1

6

[ 9] (Rodriguez Devis, 2011)

40

1

10≤

𝑠

𝑑≥

1

20


𝑒 = 0


𝑑 = 2𝑎 − 𝑠


Las tapas divisoras de los módulos (Ver Ilustración 15) están limitadas por un

diámetro 𝑑𝑡 = 1.1𝑑 , según la experiencia de otros autores (Torres Morimitsu,

2015). Para este proyecto el diámetro de las tapas será de 1200mm, dado que

aumentar ésta medida impediría usas láminas de tamaño estándar fáciles de

ubicar en el mercado.

De las relaciones geométricas[ 9][ 10][ 11][ 12] obtenemos las siguientes

dimensiones:

ℎ = 1192 𝑚𝑚

𝑑𝑡 = 12𝑂𝑂𝑚𝑚

𝑑 = 1173.3𝑚𝑚

𝑠 = 106.67𝑚𝑚

𝑎 = 640𝑚𝑚

7.4.5. Determinación de la velocidad angular del aerogenerador

Para determinar la velocidad angular del generador se usa la ecuación[ 13], donde

r es el radio del aerogenerador en este caso 600mm; v, la velocidad del viento

máxima de estudio (7 m/s); y TSR es la relación periférica de velocidad definida en

el numeral 7.3.1 como 0.8

𝑇𝑅𝑆 = 𝜔 ×𝑟

𝑣


De lo anterior obtenemos una velocidad angular 𝜔 = 44,63 𝑟𝑝𝑚

41

7.4.6. Determinación del torque

El torque se determina a partir de la ecuación [ 14], donde 𝑃ú𝑡𝑖𝑙 = 10𝑊.

𝑇 =𝑃ú𝑡𝑖𝑙

𝜔

[ 14] (MOTT, 2006)

El torque obtenido es de 42,15 Nm

7.4.7. Influencia del viento sobre los alabes

Considerando la ráfaga de viento más alta a los 7 m/s, la presión ejercida por el

viento sobre los alabes estará dada por la ecuación [ 15] como se muestra a

continuación

𝑃 =1

2𝜌𝑣2

[ 15] (MOTT, 2006)

De lo anterior se tiene que la presión más alta ejercida por el viento es de 24,5 Pa,

y que esta presión correspondería a una fuerza máxima puntual ejercida por el

viento de 70,39 N, distribuida a través del diámetro del eje lo que equivaldría a una

carga distribuida de 29,36 N/m. la fuerza se obtiene a partir de la ecuación [ 16]

𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴

[ 16] (MOTT, 2006)

7.4.8. Selección del material

Teniendo en cuenta que el peso es un factor decisivo dentro del diseño del

aerogenerador para facilitar su funcionamiento óptimo, y que los álabes son

elementos que van a estar a la intemperie se opta por fabricarlos en Aluminio

1011, que cumple con las características mencionadas anteriormente, y que

adicionalmente es una material fácil de conseguir en el mercado.

Como se tiene una carga pequeña sobre los alabes se elige un espesor comercial

de 1,24 mm es decir calibre 18. Se hacen los caculos de esfuerzo pertinentes para

corroborar que espesor cumpla los requerimientos.

Para hallar el esfuerzo al que están sometidos los alabes ecuación [ 19] , se

calcula primero el momento máximo ecuación [ 17] ; el momento de inercia

ecuación [ 18], donde 𝑅𝑒 y 𝑅𝑖 son los radios externo e interno de los alabes,

respectivamente.

𝑀 = 𝐹 ∗ ℎ = 70,464 𝐾𝑁

[ 17] (MOTT, 2006)

42

𝐼𝑦 =𝜋(𝑅𝑒

4 − 𝑅𝑖4)

8= 68276,234

[ 18] (MOTT, 2006)

𝜎 =𝑀𝐶

𝐼= 8,549 Pa

[ 19] (MOTT, 2006)

Como la resistencia ala fluencia del Aluminio 1100 es de 255 MPa (Ulbrinox), es

claro que el material cumple con las necesidades mecánicas, y que con un

espesor menor seguiría cumpliéndolas, sin embargo se mantiene la elección de

lámina calibre 18, dado que un espesor menor requeriría más cuidados a la hora

del montaje.

7.5. Diseño del eje

7.5.1. Aplicación

El diseño del aerogenerador arrojo que el largo total seria de 2400mm, siendo una

longitud amplia se debe garantizar concentricidad en el eje, o la ubicación de

varios apoyos que garanticen el buen funcionamiento del eje, para la aplicación se

decide dejar dos apoyos y una sola pieza de eje macizo.

7.5.2. Ambiente

La máquina se va a encontrar a la intemperie, (lluvia, viento, etc.)Sin embargo no

va a estar expuesta a punzonamiento o a rayadura. Teniendo en cuenta esto la

opción más económica y sencilla es usar acero al carbono con un recubrimiento

en pintura anticorrosiva.

7.5.3. Cargas y esfuerzos.

Se hallan los valores de la fuerza sobre el eje y el torque, con la mayor velocidad

de viento en esta área, que sería de 7m/s. (Ver Tabla 10)

Tabla 10. Datos iniciales, cálculo del eje (autores)

43

En base a eso se puede realizar el diagrama de fuerzas que actúan sobre el eje

(Ilustración 17), y así determinar que la carga ejercida por el viento será una

carga fluctuante, dado que el viento llega en cualquier dirección.

Entonces se tiene que el eje soportara un esfuerzo de flexión, con una carga

distribuida en una longitud de 2.4m. Adicionalmente, soportara el momento torsor

que se genera del giro en los alabes.

Ilustración 17. Carga de viento sobre el eje (autores)

7.5.4. Material

Teniendo en cuenta las cargas que va a soportar el eje, la longitud, y que en el

proceso de fabricación puede ser necesario maquinarlo y soldarlo, se escoge un

acero SAE 1020, el cual tiene un contenido medio de carbono, y se utiliza bastante

en elementos estructurales que requieren resistencia mecánica y tenacidad a bajo

costo. Siendo así se ubican las propiedades del acero para el eje (Tabla 11).

Longitud Del Alabe (m) 2.40

Fuerza Sobre El Eje (N) 30

Torque Del Aerogenerador (N*m) 42.15

44

Tabla 11 ,Propiedades mecánicas Acero AISI 1020

MATERIAL

Resistencia de fluencia en tracción

Esfuerzo último en tracción

Su

Elongación (en 2 in)

Dureza Brinell

Sy (0.2%)

SAE/AISI estado ksi MPa ksi MPa % HB

1020

Laminado en caliente

30 207 55 379 25 111

Laminado en frío

57 393 68 469 15 131

7.5.5. Resistencia real a la fatiga

Para estimar la resistencia real a la fatiga del material para la pieza que se diseña

se usa la ecuación [ 20].

S’n=Sn (Cm). (Cst). (CR). (Cs)

[ 20]. Resistencia a la fatiga (MOTT, 2006)

Teniendo en cuenta el esfuerzo ultimo a la tracción (379Mpa) y el hecho de que

se va a contar con material laminado en caliente, se selecciona de la Ilustración

51 anexo A, el valor de la resistencia a la fatiga.

Resistencia a la fatiga (Sn) (Pa) 2.30E+08

7.5.6. Factores de diseño

A continuación se enuncian los factores de diseño tenidos en cuenta, la Tabla 12

muestra los valores hallados para dichos factores.

Factor de material: Acero forjado (Tabla 13 anexo A)

Factor de tipo de esfuerzo: Flexionante (Tabla 26 anexo A)

Factor de confiabilidad: Se diseñara para una confiabilidad de 0.99 (Tabla

25 anexo A)

Factor de tamaño: se estima el factor de tamaño teniendo en cuenta un

posible diámetro de 25.4 mm. (Ilustración 52 anexo A)

45

Tabla 12. Factores hallados

Factor De Material Acero Forjado (Cm) 1

Factor De Tipo De Esfuerzo Cst Esfuerzo Flexionante 1

Factor De Confiabilidad Según Tabla (Cr) (0.99) 0.81

Factor De Tamaño (Cs) 0.84

Teniendo en cuenta los valores encontrados procedemos a hallar la resistencia

real a la fatiga con la ecuación [ 20]

Resistencia A La Fatiga Modificada (S'n) 1.56E+08

7.5.7. Geometría del eje

Tomando las ecuaciones descritas en el capítulo anterior para una velocidad

máxima de 7m/s, se hallan la fuerza y el par torsional, que se ejercen sobre el eje.

7.5.8. Factor de diseño

No se espera que el generador tenga algún impacto inusual, siendo así se escoge

un valor de N=2.0 el cual es válido para maquinas bajo cargas dinámicas con una

confianza promedio en todos los datos de diseño (Tabla 12 anexo A).

Tabla 13. Valores de velocidad fuerza y torque

Velocidad del viento máxima (m/s) 7.00

Longitud del alabe (m) 2.40

Fuerza sobre el eje (N) 29.36

Torque del aerogenerador (N*m) 42.15

Es necesario conocer el momento máximo flexionante, y para eso se generan los

diagramas de carga cortante y flexión para el eje (Ilustración 19).

46

Ilustración 18, diagrama de fuerzas

Ilustración 19. Diagrama carga cortante y flexión, (philpot)

Ya con todos los valores obtenidos del material, se selecciona el diámetro del eje

ideal. (Ver Tabla 14)

Teniendo en cuenta esta información, 21 mm sería el valor mínimo con el que

podría trabajar el eje. Ya que es necesario crear hombros para soportar la lámina,

se genera el diseño del eje partiendo de una barra redonda de acero SAE 1020 de

1.5 pulgadas de diámetro y 2.6 m de largo.

Tabla 14, Resultados Diseño del Eje

47

FACTOR DE DISEÑO N 2

𝐷 = [32𝑁

𝜋√

𝐾𝑡 ∗ 𝑀

𝑆′𝑛+

3

4∗ (

𝑇

𝑆𝑦)

2

]13

Ecuación 1 (MOTT, 2006)

RESISTENCIA A LA FATIGA SEGÚN GRAFICA (Sn) (Pa)

2.30E+08

FACTOR DE TAMAÑO (CS) 0.84

FACTOR DE MATERIAL ACERO FORJADO (CM)

1

FACTOR DE CONFIABILIDAD SEGÚN TABLA (Cr) (0.99)

0.81

CHAFLAN BIEN REDONDEADO (Kt) 1.5

FACTOR DE TIPO DE ESFUERZO Cst ESFUERZO FLEXIONANTE

1

MOMENTO FLEXIONANTE (XY) 41.0

RESISTENCIA A LA FATIGA MODIFICADA (S'n)

1.56E+08

Resistencia de fluencia en tracción

Sy (0.2%) 2.07E+08

D=20.63mm

7.5.9. Selección de rodamientos

El eje estará soportado por dos apoyos, como lo muestra la Ilustración 20, el

apoyo “A” estaría soportando carga radial, mientras, el apoyo “B” estaría bajo

carga radial y axial, teniendo en cuenta que el apoyo “B” estaría soportando el

peso de todo los alabes.

Teniendo en cuenta que el rotor giraría a máximo a una 111 rpm en el momento

que ocurriera la mayor velocidad de viento (7m/s), además del hecho de que las

cargas generadas en cada punto de apoyo, no son representativas, el rodamiento

se escogerá con base a los siguientes criterios.

Soporte carga radial

Diámetro mínimo de 20mm

Fácil instalación

Se escoge un soporte de brida y prisioneros que resiste la carga radial (Tabla 29

anexo A), además permite una fácil instalación. Se deja un valor de 25 mm de

diámetro para garantizar proporcionalidad en el diseño (Ilustración 21).

48

Ilustración 20. Carga radial carga axial

Ilustración 21. Soporte de brida (AB SKF)

Para el punto “B” al igual que en el punto “A”, no se tomara en cuenta la carga

soportada o la velocidad de giro, los criterios de selección serán los siguientes.

Soporte carga radial y axial

Diámetro mínimo de 20mm

Fácil instalación

Para la selección de este rodamiento es necesario analizar qué tipo de

rodamientos soportan esta carga.

49

Ilustración 22. Cargas rodamientos (FAG Bearings, 2000)

Un rodamiento de bolas de contacto angular o uno de rodillos cilíndricos, son la

mejor opción, se escoge el de contacto angular, dada su fácil instalación y menor

costo frente al de rodillos cilíndricos (Ilustración 22).

Ilustración 23. Rodamiento contacto angular (AB SKF)

Se escoge un rodamiento de bolas de contacto angular de una sola hilera, (Tabla

17anexo A) se da un diámetro de 30mm para mantener proporcionalidad con el

diseño (Ilustración 23).

Adicionalmente, es necesario crear un soporte que contenga el rodamiento

(Ilustración 24), el soporte se diseña siguiendo las especificaciones de instalación

del proveedor del rodamiento; se agregan agujeros roscados de sujeción, con el

mismo diámetro de los agujeros que posee la brida del punto “A”, para tener

medidas comunes en su fabricación.

50

Ilustración 24. Soporte de rodamiento

7.5.10. Transmisión del eje

Es preciso transmitir el par torsional de los alabes al eje, sin embargo, es

necesario mantener el peso del rotor al mínimo, y por tiempos de fabricación se

quiere evitar agregar más piezas que necesitaran maquinado. Por tales razones

se usan dos láminas de acero HR A-36 de 4mm de espesor, con cuatro agujeros

de sujeción una soldada en el costado “B” y otra roscada en el costado “A”,

permitiendo de esa manera confinar los alabes y a su vez transmitir el giro al eje

(Ilustración 25).

Ilustración 25. Soporte de brida

51

Una vez transmitido el giro al eje, se debe entregar al generador, siendo así, sin

importar que tipo de transmisión se seleccione (engranajes, poleas o cadena), es

necesaria la ubicación de una cuña cuadrada en el eje, que es la más común, Se

selecciona su tamaño en función del diámetro del eje según Tabla 27 anexo A. Se

opta por una cuña cuadrada de ¼ de pulgada de ancho (Ilustración 26).

Ilustración 26. Chaveta

Finalmente, y con base a toda la información obtenida se concreta el diseño,

obteniendo un eje con las dimensiones mostradas en la Ilustración 27.

Ilustración 27. Diseño final

7.6. Diseño De La Estructura

7.6.1. Requisitos De Diseño

a) Confinar el área de barrido del aerogenerador, distribuida en una altura de

2.4m y un diámetro de 1.2m.

b) Permitir 2 puntos de apoyo para soportar el eje.

52

c) Soportar alrededor de 100kg, y adicionalmente el peso de una persona

promedio, lo último para cumplir requerimientos de instalación o

mantenimiento.

d) Tener una base rígida que le permita soportar vibraciones y fluctuaciones.

e) Hacer que los alabes y piezas en movimiento estén fuera del alcance de las

personas, para evitar accidentes.

7.6.2. Tipo de estructura

Para los aerogeneradores de eje horizontal se suelen utilizar tres tipos de torres.

(Ilustración 28)

De celosía

Tubulares

Mástil tensado.

Ilustración 28, Tipos de torres (ABB, 2012)

Las torres tubulares son las más utilizadas actualmente ya que presenta ventajas

al no generar uniones excesivas, y ocupar menos área, sin embargo, representan

un mayor costo (ABB, 2012).

Para un rotor Savonius se necesita una estructura robusta debido a la gran

superficie expuesta de las palas. Por tal razón la mejor opción para el diseño es

una estructura similar a la torre de celosía, para mejorar la sujeción de todo el

sistema, la estructura metálica se sujetara, además, mediante cables tensores al

suelo.

Para cumplir los requerimientos debía construirse una estructura de bastante alta,

facilitando su transporte e instalación, se decide dividir su longitud en dos

secciones. La primera sección soporta el eje, los alabes y la transmisión junto con

el sistema eléctrico. La segunda sección actuara como base para la primera,

ayudándole a cumplir el requerimiento de altura. La Ilustración 29, muestra lo

mencionado anteriormente.

53

Ilustración 29. Estructura de soporte

Evaluando los costos de fabricación, se escogen los perfiles estructurales de más

bajo costo

7.6.3. Seccion superior

La primera sección, se forma de ángulo de 2”x1/8”, para los eje verticales, y la

base cuadrada; para las riostras y los soportes del eje se usa ángulo de 1”x1/8” y

tubo cuadrado de 1”,

Para soportar el eje se agregaran dos lamina en acero HR A-36 cuadradas, las

cuales llevan los agujeros de los soportes del eje y estaran alineadas

verticalmente entre si.

Ilustración 30. Materiales estructura superior

54

7.6.4. Sección inferior

La base de la sección inferior se diseña teniendo en cuenta que es necesario que

sea bastante rígida, pero a su vez ligera. Para lograr esto se contempló un diseño

con cuatro apoyos en ángulo de 2”x1/8, y al igual que la sección superior, se usa

ángulo de 1”x1/8” y tubo cuadrado de 1”, para cerrar la estructura; adicionalmente

se agregan láminas de 4mm de espesor con una perforación en la base para,

permitir su anclaje.

Ilustración 31. Materiales estructura inferior

Ya que ésta sección de la estructura soportará todo el peso del rotor y el de la

estructura superior, se le realiza un análisis estático, y así se determinan las

máximas tensiones y la distribución del factor de seguridad.

El primer paso para contemplar este diseño es elegir el tipo de material que se

usará (Tabla 15).

55

Tabla 15 Información del modelo. (SOLIDWORKS, 2014)

Propiedades volumétricas Propiedades de material

Masa:41.2143 kg

Volumen:0.00525023 m^3

Densidad:7850 kg/m^3

Peso:403.9 N

Nombre: ASTM A36 Acero

Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal

Criterio de error predeterminado: Tensión máxima de von Mises

Límite elástico: 2.5e+008 N/m^2

Límite de tracción: 4e+008 N/m^2

Módulo elástico: 2e+011 N/m^2

Coeficiente de Poisson: 0.26

Densidad: 7850 kg/m^3

Módulo cortante: 7.93e+010 N/m^2

Una vez definido el material es necesario delimitar las cargas y las sujeciones. La

estructura se apoyaría sobre el piso con la parte inferior de los perfiles verticales.

Tabla 16. Sujeciones (SOLIDWORKS, 2014)

Imagen de sujeción Detalles de sujeción

Entidades: 4 cara(s) Tipo: Geometría fija

Componentes X Y Z Resultante

Fuerza de reacción(N) -57.2692 1933.28 -0.122979 1934.13

La estructura soportará la carga, en la parte superior de los perfiles verticales, y

estos a su vez se sujetaran con pernos de 3/8” a la estructura superior.

56

Tabla 17 Cargas. (SOLIDWORKS, 2014)

Imagen Detalles de carga

Entidades: 4 cara(s)

Tipo: Aplicar fuerza

normal

Valor: 2000 N

Ángulo de fase: 0

Unidades: deg

Conjunto de

selecciones

Unidades Suma X Suma Y Suma Z Resultante

Todo el

modelo

N -57.2692 1933.28 -0.122979 1934.13

7.6.5. Resultados del estudio

Las mayores tensiones fueron encontradas en los vértices de los ángulos. La

tensión máxima se da en el nodo 75582 y es de 1.23696e+007 N/m^2. La tensión

máxima es inferior al límite elástico del acero (Tabla 18).

57

Nombre Tipo Mín. Máx.

Tensiones1 VON: Tensión de von

Mises

35.5374 N/m^2

Nodo: 142819

1.23696e+007 N/m^2

Nodo: 75582

Tabla 18. Resultados tensión Von Mises (SOLIDWORKS, 2014)

Para el análisis del factor de seguridad se emplea el criterio de von Mises, el

material empieza a ceder en una ubicación cuando la tensión de von Mises es

igual al límite de tensión. El mínimo valor de del factor se da en el nodo 75582

(vértices de los ángulos) y es de 20, el cual es suficiente para garantizar solidez y

resistencia (Tabla 19).

58

Nombre Tipo Mín. Máx.

Factor de seguridad1 Automático 20.2109

Nodo: 75582

7.03484e+006

Nodo: 142819

Tabla 19. Resultados factor de seguridad (SOLIDWORKS, 2014)

7.7. Selección del generador

El generador eléctrico es el encargado de convertir la energía mecánica en

energía eléctrica. El tipo de generador (motor) depende del tipo de turbina que se

haya seleccionado, y el uso que se le vaya a dar a la misma.

Dentro del campo de la energía eólica se manejan dos tipos de motores

principalmente:

59

Generadores síncronos

Generadores asíncronos

Para aerogeneradores de gran potencia, los generadores asincrónicos resultan ser los más útiles, dado que son muy fiables y no son tan costosos. Sin embargo para aerogeneradores de baja potencia, no son tan útiles dado que requieren trabajar con una corriente de alimentación. Las turbinas eólicas que utilizan generadores síncronos suelen usar imanes en el rotor alimentados por corriente continua de la red eléctrica. Sin embargo de estos se desprenden los motores de imanes permanentes, los cuales trabajan con potentes imanes fabricados a partir de tierras raras, los cuales remplazan el electro imán y permiten trabajar sin ningún tipo de conexión directa.

(bicicletaselectricas)

En turbinas de alta potencia, los generadores síncronos de imán permanente no son muy usados, ya que, los imanes tienden a desmagnetizarse al trabajar en potentes campos, además de tener altos costos. Para este tipo de aerogenerador en particular, un generador de imán permanente es la mejor opción, sin embargo no son muy comunes en el medio, por su alto costo y poco uso, y la carencia de documentos que incertidumbre en su fabricación. Evitando inconvenientes el generador se busca en un medio en el que esté siendo usado como un motor. Dentro de la búsqueda que se realiza, se toma como criterio de búsqueda el par torsional y las rpm a las que debía trabajar el motor, de este modo, es fácil encontrar motores de imanes, con distintos usos en el mercado sin embargo ninguno se acomodaba a los criterios de operación ya que dichos motores trabajan a muy altas revoluciones y el torque lo generan mediante cajas reductoras. Sin embargo, dentro de la misma investigación se encontró que existían ciertos motores que se acercaban a cumplir nuestros criterios.

60

Ilustración 32, motor bicicleta (biologica)

Las bicicletas eléctricas, bastante populares desde hace un tiempo, ya que ostentan mayor autonomía y confiabilidad que anteriormente, poseen un motor eléctrico de imanes permanentes, construido específicamente para ser parte de la rueda trasera. Éste tipo de motores trabajan con voltajes de entre 36 y 48 v, y entregan una potencia de 350 a 500 W. Estos motores con la disposición y forma que presentan, son perfectos, para el uso que se requiere, de tal modo que se identifica que un motor de 500W, es suficiente para satisfacer la necesidad del proyecto, sin embargo, teniendo en cuenta la incertidumbre que existente, sobre el comportamiento del aerogenerador, se toma una decisión conservadora, tomando la opción de un motor de 350 W y 48V.

7.8. Selección de la transmisión

7.8.1. Requisitos de diseño

1. Recibir potencia de un rotor impulsado por viento a través de un eje

giratorio.

2. Transmitir la potencia a través de elementos mecánicos, que aumenten la

velocidad de giro.

3. El rotor gira a una velocidad máxima de 111 rpm a plena carga.

4. El par torsional máximo será de 42N.m.

5. La transmisión no puede ser directa

6. Se espera que la maquina trabaje alrededor de 6 horas al día

61

7.8.2. Alternativas de diseño

Existen diferentes posibilidades para aumentar la velocidad de giro en el proyecto,

algunas de las cuales están las mostradas en la Ilustración 34, 30 y 31,

7.8.3. Criterios de selección

Se usa una escala de cinco puntos, donde cinco es la calificación más alta. Se

realiza este tipo de selección, ya que se cuenta con cierta incertidumbre en cuanto

al comportamiento de la máquina, en caso de tener más información debería

realizarse una selección con un método más detallado.

Es necesario escoger la mejor opción siguiendo los siguientes criterios:

Seguridad, la transmisión debe trabajar bajo medidas de seguridad para las

personas cercanas a la máquina.

Costo: siempre es preferible que el costo sea bajo, teniendo en cuenta que

se trata de un prototipo.

Tamaño: un tamaño pequeño garantiza espacio para otros elementos.

Confiabilidad: aspectos altos de confiabilidad garantizan, poca

incertidumbre en su manejo.

Ilustración 34.a) Transmisión por cadena (INTERMEC.)

Ilustración 33.b) Transmisión por correa en v (INTERMEC.)

Ilustración 36.c) Transmisión por correa dentada (INTERMEC.)

Ilustración 35.d) Transmisión por engranajes. (ENDEFCA)

62

Mantenimiento: piezas de fácil alcance y poco mantenimiento.

Armonía: es importante que el sistema que se elija compagine con los

demás elementos.

7.8.4. Análisis de decisiones

Tabla 20.Análisis de decisiones

ALTERNATIVAS

CRITERIOS

A) B) C) D)

CADENA CORREA EN V CORREA DENTADA ENGRANAJES Y

ACOPLES

COSTO 5 3 1 1

TAMAÑO 3 2 2 5

CONFIABILIDAD 4 1 5 5

MANTENIMIENTO 5 4 4 2

ARMONÍA 5 3 3 1

TOTAL 22 13 15 14

Para el presente diseño se escoge una transmisión por cadena, puesto que

generó la mayor calificación, no tiene valores por debajo del promedio y tiene el

valor más alto en armonía debido a que el generador eléctrico, permite un acople

por cadena (Tabla 20).

Existen dos posibilidades para el arreglo de los componentes de la transmisión,

con el uso de piñones comerciales, que permitan un acople sencillo al eje, sin

embargo su acople al motor es problemático, ya que este está diseñado para

funcionar con piñones de un sistema de bicicleta.

Siendo así es necesario:

a. modificar el sistema de acople del motor para que, sea coherente con el del

eje,

b. modificar el acople del eje para que sea coherente con el del motor.

Puesto que el sistema de transmisión por cadena que posee una bicicleta es de

bajo costo y fácil acceso, se toma la decisión de modificar el acople del eje, para

que sea armónico con el sistema de la bicicleta.

63

Ilustración 37. Platos bicicleta

El sistema típico de una bicicleta, como lo muestra la Ilustración 37, consta de tres

platos que se unen entre sí por cuatro pasadores de 6 mm.

Para modificar el sistema se requiere separar los platos, perforara los pasadores y

cambiarlos por tornillos de ¼ de pulgada. Es necesario que los platos se acoplen

al eje de alguna manera, así que se diseña una pieza, que se acomodara al eje

con chaveta, y que además llevara las mismas perforaciones que los agujeros

para poder sujetarlos (Ver Ilustración 38. Soporte platos).

Ilustración 38. Soporte platos

64

Ya que el uso inicial del motor permite el acople de piñones roscados, se decide

usar un piñón de 6 velocidades, típico de bicicletas de varias marchas (Ilustración

39. Piñón motor).

Ilustración 39. Piñón motor

Este sistema típico de las bicicletas, permite cambiar la velocidad de salida del eje

dependiendo de lo requerido en el momento en el que se realicen pruebas.

Adicionalmente, para realizar el cambio de marchas es necesario agregar un

tensor, y un soporte deslizable para la base del motor.

7.9. Sistema Eléctrico

Para realizar el diseño de esta sección, se contempló uno de los objetivos, el cual

indicaba que era necesario cargar algún tipo de aparato electrónico.

Un celular carga con 5V y 700mma, la corriente varía entre 100+/- según el

modelo. Para lograr llegar a esa carga se diseña un sistema simple que permite

dar carga al celular y a la vez realizar pruebas sin inconvenientes, los elementos

usados para esto se pueden ver en la Ilustración 40.

65

Ilustración 40. Diagrama de bloques circuito

Los elementos principales para el diseño de este circuito son:

1. puente de diodos: convierte la corriente alterna en continua

2. Batería de 12v y 3A: suficiente para suministrar la carga al celular y además

permitirse ser cargada en poco tiempo.

3. Interruptor: es necesario agregarlo ya que no es posible que la batería se

cargara y suministrara carga al mismo tiempo.

4. Fusible 1A: protege el circuito y a la batería de algún corto circuito o

sobrecarga.

5. Adaptador 12v a 5v: este permite regular la corriente de 12v a 5 v sin

inconvenientes para ser suministrada al teléfono celular.

6. Switch: este permite cambiar la dirección de la corriente y así suministrarla

hacia una toma corriente, en donde se realizan pruebas con un cargador de

celular típico.

8. FABRICACIÓN Para la fabricación de las diferentes partes del aerogenerador, se dividieron las

piezas según el tipo de fabricación que requerían:

a) Corte

b) rolado

c) Mecanizado

d) soldadura

8.1. Corte Las piezas que requerían una forma particular como las tapas, cortan con corte

laser, la empresa que lo realiza también suministra el material, lo cual disminuye

costo y tiempo. (Ver Ilustración 41)

66

Ilustración 41, corte laser

8.2. Rolado

Loa alabes se fabrican en aluminio con forma de semicírculo. Se distribuyen en

dos láminas estándar de 1.2X2.4m, que se cortan en cizalla dado su pequeño

espesor.

.

Ilustración 42, desarrollo lamina

Las pizas requieren un proceso de rolado para generar la forma del semicírculo, la

misma empresa que suministro el material, realizo el proceso.

67

8.3. Mecanizado

Las piezas para mecanizar se realizan todas en el mismo material (Acero AISI

1020), se solicita el material y se envía directamente hacia el tornero.

Las piezas pequeñas no requirieron, un mecanizado especial, sin embargo el eje

requería un torno con mayores dimensiones para garantizar concentricidad en las

puntas.

Ilustración 43, montaje final eje

8.4. Soldadura La estructura se fabrica mediante soldadura MIG (metal inert gas), se pule y se le

aplico pintura anticorrosiva pintulux.

Ilustración 44, estructura soldada

68

9. COSTOS DE FABRICACIÓN

La Tabla 21 muestra un listado de los costos de fabricación del aerogenerador, la

Ilustración 45 muestra la relación porcentual de dichos costos. El costo total del

prototipo fue $1.950.000, que están repartidos principalmente en cuatro ítems: la

estructura, que tiene un costo elevado debido a su tamaño, que implica el uso de

varios metros de perfilaría y mano de obra relacionada a soldadura, corte y

pintura; el motor de imanes permanentes, tiene uno de los valores más

representativos, esto fue contemplado y presupuestado desde un principio así,

pues se consideró que era uno de los elementos más importantes, y se buscó que

su funcionamiento fuera fiable y no generara inconvenientes; los otros dos ítem

son el eje y los álabes que al ser los elementos que constituyen el rotor, es de

esperar tengan un costo significativo.

El hecho de fabricar un solo prototipo implica un costo más elevado, pues los

desperdicios de materia prima y el precio de los materiales que no fueron

comprados en tamaños estándar, genera un sobre costo en la fabricación.

El ítem elementos de fijación y varios, incluye la compra de tornillos, remaches,

perfilería en aluminio y materiales imprevistos, que pudieron necesitarse en el

montaje del dispositivo.

Descripción Costo

Circuito eléctrico $ 150.000,00

Motor de imanes permanentes (Generador)

$ 400.000,00

Estructura $ 550.000,00

Piezas de sujeción (láminas) $ 150.000,00

Alabes $ 250.000,00

Eje $ 250.000,00

Elementos de fijación y varios

$ 200.000,00

Total $ 1.950.000,00 Tabla 21 Costos de fabricación (autores)

69

Ilustración 45 Relación porcentual Costos de Fabricación (autores)

10. RESULTADOS

10.1. Instalación y montaje

El montaje se realiza en el lote contiguo a la Universidad, ya que por seguridad

debe estar fuera del alcance de las personas.

El hecho de que se haya dividido la estructura en dos partes, es un aspecto

primordial a la hora del transporte y del montaje, ya que se pudo realizar

con tan solo dos personas (Ilustración 43).

El hecho de garantizar tantos puntos de anclajes permite que la estructura

se mantenga firme a pesar de las discontinuidades del terreno.

La estructura es lo bastante resistente como para soportar a dos personas

durante su instalación.

8%

20%

28% 8%

13%

13%

10%

Relación porcentual Costos de Fabricación

Circuito eléctrico

Motor de imanespermanentes (Generador)

Estructura

Piezas de sujeción (láminas)

Alabes

Eje

Elementos de fijación y varios

70

Ilustración 46, montaje estructura

En el momento de instalar el eje, se generaron inconvenientes debido a la

longitud del mismo ( Ilustración 47).

La altura a la que se encuentran los alabes, aumenta el grado de dificultad

para la instalación de los mismos.

La forma del motor permite una fácil instalación.

71

Ilustración 47, alabes instalados

10.2. Funcionamiento

El tipo de transmisión que se usó y su compatibilidad con el motor permite

uniformidad en su funcionamiento.

Gracias al sistema de transmisión es posible realizar cambios en la relación

de velocidad de rotación del generador (Ilustración 48).

Ilustración 48, sistema de trasmisión instalado

72

Ilustración 49, instalación final aerogenerador tipo Savonius

El tipo de generador que se elige permite que se aprovecharan las ráfagas

de viento en cualquier tipo de dirección.

El aerogenerador inicia su funcionamiento desde velocidades de 1,2 m/s,

no se necesita ningún tipo de ayuda para que inicie su funcionamiento

(Ilustración 49).

73

10.3. Potencia generada

Para dar una idea del comportamiento característico del equipo se hizo una toma

de alrededor de100 datos. La Ilustración 50 muestra tres curvas, la curva de valor

teórico del funcionamiento, la curva real, donde muestra los datos tomados, y una

curva final que muestra la tendencia central de los datos, y que tomaremos como

curva característica del equipo.

Ilustración 50. Curva Característica del Aerogenerador (autores)

11. CONCLUSIONES

En el momento en que el rotor alcanzaba su máxima velocidad, se generan

vibraciones en la parte superior; a pesar de que se le agregaron cables

tensores, se mantienen las vibraciones en ciertos puntos. Esto se debe a

que el área expuesta es muy grande, así que para próximos prototipos es

recomendable que la estructura de sujeción sea mucho más sólida.

La estructura se instaló sin inconvenientes, pero debido a su diseño, es

bastante difícil cambiarla de lugar. Por eso es recomendable que para

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

VEL

OC

IDA

DD

EL V

IEN

TO (

m/s

)

POTENCIA GENERADA (W)

Tendencia central Valor teórico Valor real

74

turbinas de este tamaño, se le añadan elementos que permitan su traslado

una vez que están armados.

A pesar de que la transmisión tuvo un funcionamiento uniforme, es

necesario rediseñarla de tal manera que se acomode a otro tipo de

motores.

El sistema eléctrico que se diseño es útil solo para efectos de pruebas

puesto que cuenta solo con una batería y en el momento en que se llene

dejara de recolectar. Por tal razón es necesario diseñar un sistema

automatizado que recolecte la energía en todo momento.

Con la velocidad media de viento que se maneja en la facultad tecnológica

de la Universidad Distrital, que es de 3,5 m/s no es factible pensar en un

prototipo que genere una potencia media de 60 W, pues requeriría un área

muy grande, que generaría problemas de fabricación e instalación. Se

construyó un prototipo que genera 10 W con el rango de velocidad media,

esta potencia fue seleccionada usando un área barrida manejable y

manteniendo un rango de potencia útil para diferentes usos. Aunque este

aerogenerador alcanza a producir los 60W de potencia con ráfagas de

viento superiores a los 6 m/s; se recomienda hacer un sistema eólico que

esté compuesto por seis unidades de 10 w, si lo que se quiere conseguir es

una producción media de 60 W.

La recolección de datos de velocidad de viento con la que se basó el

proyecto, muestra que hay horarios del día en los que la velocidad del

viento no es aprovechable pues tiene datos menores a 1 m/s; dicho factor

hace la producción eléctrica del aerogenerador no esté proyectada a dar un

abastecimiento directo, sino a funcionar mejor como una isla, es decir un

dispositivo que almacena energía eléctrica por medio de baterías, pero no

está conectada directamente a la red.

Con las condiciones de potencial eólico que cuenta la facultad tecnológica

de la Universidad Distrital, el tipo de aerogenerador seleccionado en este

proyecto, Aerogenerador de eje vertical tipo Savonius, dio resultados

bastante favorables, en primer lugar al ser un dispositivo de eje vertical

aprovecha las corrientes de viento en diferentes direcciones, sin necesidad

de usar algún tipo de orientador, eso aumenta el rango de tiempo de

funcionamiento, y facilita su ubicación, además, al funcionar como un

aerogenerador de arrastre, permite su funcionamiento con regímenes de

viento bastante bajos, alrededor de los 1,2 m/s, y no requiere de ningún

dispositivo adicional para su arranque aun teniendo paradas dentro del

periodo de funcionamiento.

75

Bibliografía

(RMCAB), R. d. (2015). Informe Anual de Calidad del Aire. 126PM04-PR84-M-A2-

V2.0.

AB SKF. (s.f.). Recuperado el 2 de agosto de 2015, de http://www.skf.com/:

http://www.skf.com/co

ABB. (2012). Cuaderno de aplicaciones técnicas n.o 12.

Ahrtz, G. (2011). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE TURBINA

EÓLICA DE 60 W, PARA SUMINISTRO ELÉCTRICO DE ZONAS

URBANAS. hyfusen.

AIM Magnet Co., L. (s.f.). generador de imán permanente. Obtenido de http://aim-

magnet.spanish.forbuyers.com/product/2231937

bicicletaselectricas. (s.f.). Los componentes de una bicicleta eléctrica. Obtenido de

http://www.bicicletaselectricas.com/elementos.html

biologica. (s.f.). MOTOR ORIGINAL DE BICICLETA ELÉCTRICA ESTILO MOTO.

Obtenido de http://biologica.com.co/producto/motor-500w-16/

ENDEFCA. (s.f.). C.A. (ENDEFCA). Obtenido de http://www.endefca.com/

eólica, A. d. (4 de mayo de 2003). windpower. Obtenido de

http://www.windpower.org/es/tour/wtrb/syncgen.htm

FAG Bearings, C. (2000). Rodamientos FAG: rodamientos de bolas, rodamientos

de rodilla, soportes, accesorios: catálogo WL 41 520/3 SB. FAG.

Fernández Díez, P. (2007). Energía eólica. España: Universidad de Cantabria.

Franquesa, M. (2009). Introducción a la teoría de las turbinas eólicas.

INTERMEC. (s.f.). INTERMEC S.A. Obtenido de http://www.intermec.com.co/

Lamus Parra, A., & Aguilar Olivares, L. (Noviembre de 2009). Determinación del

potencial energético del viento, entre los bloques cuatro y cinco de la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica.

Bogotá, Colombia.

López, M. V. (2012). Ingeniería de la Energía Eólica. marcombo.

76

Mancha, U. d. (2011). UCLM. Obtenido de

<<http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/FAA/EEOLICA_Febrero2012_

G9.pdf

ministerio de ambiente vivienda y desarrollo territorial, m. d. (2006). Atlas de

Viento y Energía Eólica de Colombia.

Ministerio de minas y nergias Republica de Colombia. (2013). Altlas de Viento y

Energía Eólica de Colombia. Colombia.

MOTT, R. L. (2006). Diseño de elementos de maquinas. Mexico: pearson

educacion.

OLADE. (1980). Prospección, Evaluación y caracterización de la energía eólica.

No 10.

philpot, t. A. (s.f.). MDsolids, educational software for mechanics of material.

Pinilla S., A. (1997). Manual de aplicación de la energía elólica. Bogotá.

Rodriguez Devis, J. (2011). Coeficiente de potencia en molinos Savonius.

Ingenieria e investigación, 3(4), 62-67.

SOLIDWORKS, C. (2014). solidworks 2014, solid works materials.

Torres Morimitsu, D. (2015). Diseño de un aerogenerador eólico de eje vertical de

baja potencia. Proyecto de Grado Ingeniería Mecánica. Pereira, Colombia:

Universidad Tecnológica de Pereira.

Ulbrinox. (s.f.). www.ulbrinox.com. Recuperado el 2015, de

http://www.ulbrinox.com.mx/public/pdf/aluminio.pdf

Unidad de Planeación Minero Energética (UPME). (2013).

http://www1.upme.gov.co/. Recuperado el 2015, de

http://www1.upme.gov.co/sites/default/files/generacion_electrica_bajo_esce

narios_cambio_climatico.pdf

Vanegas Useche, L. (2 de febrero de 2011). Universidad Tecnológica de Pereira.

Obtenido de http://www.utp.edu.co/

77

ANEXOS

ANEXO A Tabla 22. Propiedades de aceros (Vanegas Useche, 2011)

Tabla 23. Factor de diseño (MOTT, 2006)

Materiales Dúctiles 1. N=1.25 a 2. El diseño de estructuras bajo cargas estáticas, para las que haya un alto

grado de confianza en todos los datos del diseño. 2. N=2.0 a 2.5, Diseño de elementos de máquina bajo cargas dinámicas con una confianza

promedio en todos los datos de diseño. 3. N=2.5 a 4. Diseño de estructuras estáticas o elementos de máquinas bajo cargas

dinámicas con incertidumbre acerca de las cargas, propiedades de los materiales, análisis de esfuerzos o el ambiente.

4. N=4.0 o más. Diseño de estructuras estáticas o elementos de máquinas bajo cargas dinámicas, con incertidumbre en cuanto a alguna combinación de cargas, propiedades del material, análisis de esfuerzos o ambiente. El deseo de dar una seguridad adicional a componentes críticos puede justificar también el empleo de estos valores.

Materiales Frágiles 1. N=3.0a4.0. Diseño de estructuras bajo cargas estáticas donde haya un alto grado de

confianza en todos los datos del diseño. 2. N=4.0 a 8.0. Diseño de estructuras estáticas o elementos de máquinas bajo cargas

dinámicas, con incertidumbre acerca de cargas, propiedades de materiales, análisis de esfuerzos o el ambiente.

Tabla 24. Factor de material (MOTT, 2006)

78

FACTOR DE MATERIAL Cm

ACERO FORJADO 1

ACERO COLADO 0.8

ACERO PULVERIZADO 0.76

HIERRO COLADO MALEABLE 0.8

HIERRO COLADO GRIS 0.7

HIERRO COLADO DÚCTIL 0.66

Ilustración 51.Resistencia a la fatiga Sn en función de la resistencia a la tensión, para acero forjado con varias condiciones de superficie (MOTT, 2006)

Tabla 25, factores de confiabilidad aproximados CR (MOTT, 2006)

Confiabilidad deseada CR

0.5 1

0.9 0.9

0.99 0.81

0.999 0.75

Tabla 26. Factor de tipo de esfuerzo (MOTT, 2006)

Factor Tipo De Esfuerzo

Cst Esfuerzo Flexionante 1

Cst Tensión Axial 0.8

79

Ilustración 52, factor de tamaño (MOTT, 2006)

Tabla 27. Tamaño de la cuña en función del diámetro del eje (MOTT, 2006)

Tabla 28.rodamientos de contacto angular (AB SKF)

80

Tabla 29, soportes de brida (AB SKF)

81

ANEXO B

Planos de fabricación

Planos SD-04 Estructura sección superior (Cant. 4)

Planos SD-05 Estructura sección inferior (Cant. 2)

Planos SD-06 Eje (Cant. 1)

Planos SD-07 Pieza mecanizada (Cant. 1)

Planos SD-08 Pieza mecanizada (Cant. 1)

114

8

7

1

10

9

6

5

2

3

N.º DE ELEMENTO CANTIDAD LONGITUD DESCRIPCIÓN

1 2 1350 ANGULO 2 "2 2 2500 ANGULO 2 "3 2 150 ANGULO 2 "4 6 1300 ANGULO 1 "5 1 1792.36 ANGULO 1 "6 1 1820.7 ANGULO 1 "7 1 1820.7 ANGULO 1 "8 1 1792.36 ANGULO 1 "9 4 175.4 ANGULO 1 "10 2 150 ANGULO 1 "

11 2 LAMINA 4mm ING. DANIEL LUGO GARCIA

ASMT A-36

mmunidades:

n° plano:

contenido:

LETTER

escala:

formato:

material:

1:20

fecha:

cantidad:

dibujado por:

ESTO

S PL

ANO

S SO

N P

RO

PIED

AD

INTE

LEC

TUAL

DE

DAN

IEL

LUG

O

C.C

101

6024

511,

SU

USO

O

EJEC

UC

ION

REQ

UIE

RE

APR

OVA

CIO

N P

REV

IA.

SD-04

D-01

proyecto:

AEROGENERADOR SAVONIUS UD

7/9/2015

iso a

pieza:

--

DIMENSIONES GENERALES

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDASFACULTAD TECNOLOGICA

INGENIERIA MECANICA

1335

255

9

90°

1341

D

E

1350

50

150

650 650

90°

2

3

1

596

150

596

1341

600

4

411

600

50

4

411

3

4

11

4

3

11

18

DETALLE DESCALA 1 : 8

14 DETALLE E

ESCALA 1 : 8


1 2 1350 ANGULO 2 "2 2 2500 ANGULO 2 "3 2 150 ANGULO 2 "4 6 1300 ANGULO 1 "5 1 1792.36 ANGULO 1 "6 1 1820.7 ANGULO 1 "7 1 1820.7 ANGULO 1 "8 1 1792.36 ANGULO 1 "9 4 175.4 ANGULO 1 "10 2 150 ANGULO 1 "

11 2 LAMINA 4mm ING. DANIEL LUGO GARCIA

ASMT A-36

mmunidades:

n° plano:

contenido:

LETTER

escala:

formato:

material:

1:30

fecha:

cantidad:

dibujado por:

ESTO

S PL

ANO

S SO

N P

RO

PIED

AD

INTE

LEC

TUAL

DE

DAN

IEL

LUG

O

C.C

101

6024

511,

SU

USO

O

EJEC

UC

ION

REQ

UIE

RE

APR

OVA

CIO

N P

REV

IA.

SD-04

D-02

proyecto:


7/9/2015

iso a

pieza:

--



INGENIERIA MECANICA

1335

1233

1300

B

B 1350

90° 49

10

7

56

8

170

8

166

7

A

SECCIÓN B-B

175

150

150

DETALLE AESCALA 1 : 10

910

9


1 2 1350 ANGULO 2 "2 2 2500 ANGULO 2 "3 2 150 ANGULO 2 "4 6 1300 ANGULO 1 "5 1 1792.36 ANGULO 1 "6 1 1820.7 ANGULO 1 "7 1 1820.7 ANGULO 1 "8 1 1792.36 ANGULO 1 "9 4 175.4 ANGULO 1 "10 2 150 ANGULO 1 "11 2 ING. DANIEL LUGO GARCIA

ASMT A-36

mmunidades:

n° plano:

contenido:

LETTER

escala:

formato:

material:

1:30

fecha:

cantidad:

dibujado por:

ESTO

S PL

ANO

S SO

N P

RO

PIED

AD

INTE

LEC

TUAL

DE

DAN

IEL

LUG

O

C.C

101

6024

511,

SU

USO

O

EJEC

UC

ION

REQ

UIE

RE

APR

OVA

CIO

N P

REV

IA.

SD-04

D-03

proyecto:


7/9/2015

iso a

pieza:

--



INGENIERIA MECANICA

3

1

2

4

3


1 4 2000 ANGULO DE 2 "

2 4 2295.52 ANGULO DE 1 "

3 6 1300 ANGULO DE 1"

4 4 LAMINA 4mm

ING. DANIEL LUGO GARCIA

ASMT A-36

mmunidades:

n° plano:

contenido:

LETTER

escala:

formato:

material:

1:18

fecha:

cantidad:

dibujado por:

ESTO

S PL

ANO

S SO

N P

RO

PIED

AD

INTE

LEC

TUAL

DE

DAN

IEL

LUG

O

C.C

101

6024

511,

SU

USO

O

EJEC

UC

ION

REQ

UIE

RE

APR

OVA

CIO

N P

REV

IA.

SD-05

F-01

proyecto:


7/9/2015

iso a

pieza:

--



INGENIERIA MECANICA

1328

200

4

200

0

51

37

FF

415

4

47

415

90°

90°

90°

1328

132

8

3

3

3

1328

100

0

90°

G

SECCIÓN F-F

100 1

00

25

25

DETALLE GESCALA 1 : 8


1 4 2000 ANGULO DE 2 "

2 4 2295.52 ANGULO DE 1 "

3 6 1300 ANGULO DE 1 "

4 4 LAMINA 4mm

ING. DANIEL LUGO GARCIA

ASMT A-36

mmunidades:

n° plano:

contenido:

LETTER

escala:

formato:

material:

1:30

fecha:

cantidad:

dibujado por:

ESTO

S PL

ANO

S SO

N P

RO

PIED

AD

INTE

LEC

TUAL

DE

DAN

IEL

LUG

O

C.C

101

6024

511,

SU

USO

O

EJEC

UC

ION

REQ

UIE

RE

APR

OVA

CIO

N P

REV

IA.

SD-05

F-02

proyecto:


7/9/2015

iso a

pieza:

--



INGENIERIA MECANICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE...

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