UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

Decanato de Estudios Profesionales

Coordinacin de Ingeniera Mecnica

DISEO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL

DE 5 KW DE POTENCIA

Por

Alejandro Ferrero Moya

Sartenejas, Octubre de 2007

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

Decanato de Estudios Profesionales

Coordinacin de Ingeniera Mecnica

DISEO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL

DE 5 KW DE POTENCIA

Por

Alejandro Ferrero Moya

Realizado con la asesora de los profesores

Hernn Daz

Pedro Pieretti

INFORME DE PASANTA

Presentado ante la ilustre Universidad Simn Bolvar

Como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniera Mecnica.

Sartenejas, Octubre de 2007

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

Decanato de Estudios Profesionales

Coordinacin de Ingeniera Mecnica

DISEO DE UN AEROGENERADOR DE EJE HORIZONTAL

DE 5 KW DE POTENCIA

INFORME DE PASANTA presentado por Alejandro Ferrero

RESUMEN

El presente trabajo tiene como meta principal el diseo de un aerogenerador de eje

horizontal de 5 kW de potencia, que pueda suplir la demanda elctrica de viviendas

rurales en las zonas costeras del pas. El proceso de diseo se divide en dos partes

principales, diseo aerodinmico y diseo mecnico. La metodologa empleada se basa

en la utilizacin de un algoritmo de clculo tomado y mejorado de trabajos previos de

energa elica realizados en la Universidad Simn Bolvar. El algoritmo permite

calcular desde las variables aerodinmicas hasta los valores de cargas que debe soportar

el aerogenerador. Se presentan dos alternativas de diseo en base a dos tipos diferentes

de generadores elctricos, uno de procedencia extranjera y otro de manufactura

nacional. Esencialmente, se busca el equilibrio perfecto entre la sencillez y la

funcionalidad, buscando en un futuro la viabilidad constructiva de los prototipos para el

cumplimiento de los objetivos planteados.

PALABRAS CLAVE

Diseo, turbina, prototipo, micro aerogenerador.

Sartenejas, Octubre de 2007

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a Dios, mis familiares y amigos que han estado all siempre para

ayudar en aquellos momentos en los que todo se vea confuso.

AGRADECIMIENTOS

Gracias al profesorado de la Universidad Simn Bolvar, quienes me han

enseado en el transcurso de la carrera. Principalmente a los profesores Pedro Pieretti y

Hernn Daz quienes me dieron la oportunidad de haber realizado este trabajo.

Tambin agradezco a mis familiares y amigos quienes me han aportado en el da

a da la energa para seguir a adelante. Especialmente a Gerald Mayoral por haber

pensado en m en aquel momento a los inicios del proyecto. A Gustavo, Olga luca, por

haber brindado apoyo en los mejores y peores momentos en el transcurso de todos estos

aos, y a agradezco todas aquellas personas que directa o indirectamente me mostraron

apoyo incondicional, hoy y siempre.

Gracias a todos mis compaeros en el Instituto de Energa quienes siempre

brindaron apoyo, incluso cuando estuviesen muy ocupados proporcionaban ideas para

animarme y seguir adelante.

A Dios por ser la fuente principal de todo lo que ocurre en ste mundo.

i

INDICE GENERAL

INTRODUCCIN............................................................................................................ 1

CAPTULO 1

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................................. 4

1.1 Problemtica global. .......................................................................................... 4

1.1.1 Problemtica especfica .............................................................................. 6

1.1.2 Recurso elico en Venezuela ....................................................................... 7

1.1.3 Consumo elctrico rural.............................................................................. 9

1.2 Objetivos del proyecto. ..................................................................................... 10

1.2.1 Objetivo general ........................................................................................ 10

1.2.2 Objetivos especficos ................................................................................. 10

CAPTULO 2

2. MARCO TERICO....................................................................................................... 11

2.1 Aspectos generales sobre aerogeneradores ..................................................... 11

2.1.1 Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal ....................... 13

2.1.2 Alternativas de Diseo. ............................................................................. 15

2.2 Principios Tericos .......................................................................................... 16

2.2.1 El viento..................................................................................................... 16

2.2.2 Estudio del fenmeno ................................................................................ 17

2.3 Estudio del comportamiento de las ecuaciones................................................ 25

2.3.1 Coeficiente de empuje vs. Induccin axial ................................................ 25

2.3.2 Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad........................................ 28

2.4 Respecto a los fundamentos tericos utilizados para el desarrollo del

algoritmo de clculo utilizado en los trabajos previos de energa elica ............. 31

2.4.1 Respecto a la teora de momento de labe ................................................ 31

2.4.2 Respecto a la teora de elemento de alabe ................................................ 32

2.5 Consideraciones bsicas de perfiles aerodinmicos........................................ 33

2.5.1 Funcionamiento bsico de los perfiles ...................................................... 33

2.6 Algoritmo de clculo ........................................................................................ 35

2.6.1 Consideraciones respecto al proceso de clculo ...................................... 35

2.6.2 Configuracin general del algoritmo de clculo ...................................... 35

ii

CAPTULO 3

3. ASPECTOS MODIFICADOS DEL ALGORITMO DE CLCULO Y METODOLOGA DE DISEO .. 37

3.1 Modificaciones al algoritmo de clculo ........................................................... 37

3.2 Metodologa de diseo utilizada....................................................................... 38

3.2.1 Metodologa de diseo aerodinmico ....................................................... 38

3.2.2 Metodologa de diseo mecnico .............................................................. 38

CAPTULO 4

4. DISEO AERODINMICO ............................................................................................ 40

4.1 Consideraciones iniciales sobre diseo aerodinmico .................................... 40

4.2 Potencia nominal respecto al radio de pala..................................................... 40

4.3 Nmero de palas, razn de velocidad y coeficiente de potencia..................... 41

4.3.1 Nmero de palas........................................................................................ 41

4.3.2 Razn de velocidad y Coeficiente de potencia .......................................... 42

4.4 Velocidad de viento de diseo .......................................................................... 43

4.4.1 Velocidades de viento promedio................................................................ 44

4.4.2 Mtodos estadsticos para medicin del recurso elico............................ 47

4.4.2.1 Distribucin de Weibull...................................................................... 47

4.5 Anlisis de perfiles aerodinmicos y condiciones de flujo............................... 51

4.5.1 Consideraciones de flujo ........................................................................... 51

4.5.2 Seleccin de perfiles aerodinmicos ......................................................... 52

4.5.2.1 Consideraciones de arranque............................................................. 53

4.5.2.2 Consideraciones de sustentacin y arrastre....................................... 54

4.5.2.3 Anlisis del perfil seleccionado.......................................................... 60

4.6 Consideraciones estructurales sobre la geometra de la pala ......................... 66

4.7 Condiciones de operacin de la turbina fuera del punto nominal ................... 70

4.8 Estimacin de la energa producida................................................................. 71

CAPTULO 5

5. DISEO MECNICO ................................................................................................... 75

5.1 Consideraciones elctricas para el diseo de componentes ............................ 75

5.1.1 Velocidades de giro de las mquinas elctricas........................................ 75

5.1.1.1 Generadores elctricos de imanes permanentes ................................ 76

iii

5.1.1.1.3 Generador elctrico de imanes permanentes desarrollado en la

Universidad Simn Bolvar. ........................................................................... 78

5.2 Metodologa de diseo mecnico y consideraciones previas........................... 79

5.2.1 Consideraciones de carga ......................................................................... 79

5.2.2 Consideraciones sobre los programas computacionales .......................... 80

5.2.3 Desarrollo del diseo mecnico................................................................ 81

5.2.3.1 Diseo del buje ................................................................................... 82

5.2.3.2 Diseo del eje horizontal o principal y sus chumaceras .................... 86

5.2.3.3 Diseo del eje vertical ........................................................................ 87

5.2.3.4 Diseo del sistema de orientacin...................................................... 89

5.2.3.5 Diseo del sistema de control............................................................. 90

5.2.3.6 Diseo de la estructura interna de aerogenerador ............................ 91

5.2.3.7 Diseo del carenado........................................................................... 93

5.2.3.8 Soporte del eje vertical ....................................................................... 94

5.2.3.9 Diseo de la torre ............................................................................... 95

5.2.4 Consideraciones adicionales sobre diseo mecnico. .............................. 96

CAPTULO 6

6. RESULTADOS ............................................................................................................ 99

CAPTULO 7

7. ANLISIS DE LOS RESULTADOS. ................................................................................ 102

CONCLUSIONES........................................................................................................ 107

RECOMENDACIONES .............................................................................................. 108

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ......................................................................... 109

ANEXOS...................................................................................................................... 110

iv

INDICE DE TABLAS

Tabla 1.1: Escala de viento de Beaufort ........................................................................... 7

Tabla 1.2: Consumo elctrico promedio mensual de una vivienda rural ......................... 9

Tabla 4.1: Velocidades de viento promedio mensual en Paraguan. ............................. 44

Tabla 4.2: Velocidad de viento promedio mensual en El Yaque, Isla de Margarita ...... 45

Tabla 4.3: Comportamiento de la turbina fuera del punto de operacin para diferentes

puntos nominales de operacin....................................................................................... 70

Tabla 5.1: Clases de viento de la IEC............................................................................. 80

Tabla 5.2: Anlisis de riesgo para configuraciones de buje ........................................... 82

Tabla 6.1: Caractersticas generales del prototipo.......................................................... 99

Tabla 7.1: Anlisis de riego para diferentes configuraciones de sistema de control.... 105

v

INDICE DE GRFICOS

Grfico 2.1: Coeficiente de potencia y Coeficiente de empuje en funcin de a ......... 24

Grfico 2.2: Coeficiente de empuje en funcin de a para diferentes expresiones.......... 27

Grfico 2.3: Coeficiente de empuje en funcin de a. Glauert, Spera, Prandtl................ 28

Grfico 2.4: Coeficiente de potencia para diferentes condiciones de sustentacin y

arrastre. ........................................................................................................................... 30

Grfico 4.1: Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad. ....................................... 42

Grfico 4.2: Velocidad de viento en el tiempo para la primera semana de mayo de 2007

en Playa el Yaque, Margarita. ........................................................................................ 46

Grfico 4.3: Distribucin de Weibull para registros de viento en El Yaque, Isla de

Margarita, para los meses desde mayo a agosto de 2007. .............................................. 49

Grfico 4.4: Coeficiente de sustentacin vs. ngulo de ataque para Re=100.000. ....... 53

Grfico 4.5: Coeficiente de sustentacin vs. ngulo de ataque para Re=500.000. ....... 54

Grfico 4.6: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil E387

........................................................................................................................................ 55

Grfico 4.7: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil FX

63-137............................................................................................................................. 56

Grfico 4.8: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil S822

........................................................................................................................................ 56

Grfico 4.9: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil S834

........................................................................................................................................ 57

Grfico 4.10: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil

SD2030 ........................................................................................................................... 57

Grfico 4.11: Coeficiente de sustentacin entre coeficiente de arrastre para el perfil

SH3055 ........................................................................................................................... 58

Grfico 4.12: Cociente entre coeficiente de sustentacin y coeficiente de arrastre para

los perfiles seleccionados a Re=100.000........................................................................ 59

Grfico 4.13: Cociente entre coeficiente de sustentacin y coeficiente de arrastre para

los perfiles seleccionados a Re=500.000........................................................................ 59

Grfico 4.14: Re a lo largo de la pala para diferentes valores de razn de velocidad.... 62

Grfico 4.15: Re a lo largo de la pala para diferentes condiciones de coeficiente de

sustentacin .................................................................................................................... 63

vi

Grfico 4.16: Re a lo largo de la pala para condiciones diferentes de radio de pala...... 64

Grfico 4.17: Re a lo largo de la pala para diferentes condiciones de velocidad de diseo

........................................................................................................................................ 65

Grfico 4.18: Cuerda vs. Distancia radial adimensional para diferentes valores de razn

de velocidad, bajo una configuracin de tres labes y un radio de pala fijo. ................. 68

Grfico 4.19: Cuerda vs. Distancia radial adimensional para diferentes valores de Cl,

bajo una condicin de tres labes y un radio de pala fijo. .............................................. 68

Grfico 4.20: Cuerda vs. Distancia radial adimensional de la pala para diferentes valores

de radio de pala, bajo una configuracin de tres labes y razn de velocidad fija......... 69

Grfico 4.21: Curva de potencia del aerogenerador. ...................................................... 72

Grfico 7.1: Curva de potencia del aerogenerador en funcin de la velocidad de giro

para diferentes condiciones de diseo .......................................................................... 102

Grfico 7.2: Curva de potencia del aerogenerador en funcin de la velocidad de diseo

para diferentes condiciones de diseo .......................................................................... 103

vii

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Balance energtico venezolano [1] ................................................................. 5

Figura 1.2: Mapa elico venezolano. Ao 2004............................................................... 8

Figura 2.1: Aerogeneradores en sus principios, enfocados al bombeo de agua. ............ 11

Figura 2.2: Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal. ........................... 13

Figura 2.3: Circulacin de los vientos a nivel mundial. ................................................. 16

Figura 2.4: Viento a travs de un aerogenerador............................................................ 18

Figura 2.5: Esquema de velocidades en el rotor. Se visualizan las zonas 1, 2,4 y 4 con

sus velocidades respectivas. ........................................................................................... 19

Figura 2.6: Perfil aerodinmico. ..................................................................................... 33

Figura 2.7: Tringulo de velocidades en el perfil. .......................................................... 34

Figura 4.1: Curva de duracin de potencia para el aerogenerador respecto a la curva de

Weibull. .......................................................................................................................... 73

Figura 5.1: Vista frontal del generador elctrico coreano. ............................................. 78

Figura 5.2: Buje diseado para la segunda opcin de diseo......................................... 83

Figura 5.3: Buje diseado para la primera opcin de diseo. ........................................ 84

Figura 5.4: Eje principal de la turbina. ........................................................................... 87

Figura 5.5: Eje vertical. .................................................................................................. 88

Figura 5.6: Veleta. .......................................................................................................... 90

Figura 5.7: Estructura interna de soporte para el aerogenerador segunda opcin.......... 92

Figura 5.8: Estructura interna de soporte para el aerogenerador primera opcin........... 92

Figura 5.9: Carenados para ambas opciones. ................................................................. 93

Figura 5.100: Soporte del eje vertical............................................................................. 95

Figura 5.11: Estructura interna inicial del labe............................................................. 97

Figura 6.1: Aerogenerador primera opcin. Apariencia transparente .......................... 100

Figura 6.2: Aerogenerador segunda opcin. Apariencia transparente.......................... 100

viii

NOMENCLATURA

Grados sexagesimales

C Grados centgrados

% Porcentaje

ngulo

U Desviacin estndar Razn de velocidad

Viscosidad cinemtica del fluido

Densidad del aire

Angulo de ataque

Velocidad de giro

a Coeficiente de induccin axial

a.m. Ante meridiam

ap Coeficiente de induccin angular

B Nmero de alabes

c Cuerda del perfil

ce Factor de escala

Cd Coeficiente de arrastre

Cl Coeficiente de sustentacin

cm Centmetro

CO2 Dixido de carbono

Cp Coeficiente de potencia

Cpmximo Coeficiente de potencia mximo

CT Coeficiente de empuje

dA Diferencial de fuerza de arrastre

dF Diferencial de fuerza resultante

dFa Diferencial de fuerza axial

dFu Diferencial de fuerza til

dm Diferencial de masa

dr Diferencial de radio

dS Diferencial de fuerza de sustentacin

Ek Energa cintica

f Frecuencia de corriente alterna

ix

k Factor de forma

Kg Kilogramos

kW Kilovatio

kWh Kilovatio hora

m Masa, metros

m/s Metros por segundo

n Velocidad de giro en RPM

Npp Nmero de pares de polos

NOx Oxido nitroso

p (U) Probabilidad de velocidad

p.m Post meridiam.

Potnecesaria Potencia nominal necesaria

Potencia del viento vientoP

R Distancia Buje Pala

Re Nmero de Reynolds

ro Radio base

RPM Revoluciones por minuto

T Momento lineal

U Velocidad de viento

U1 Velocidad de viento inicial

U4 Velocidad de viento final

Velocidad de viento promedio promU

USB Universidad Simn Bolvar

V Velocidad, Velocidad de viento en el rotor

Vtang Velocidad tangencial del rotor

W Velocidad relativa del viento

1

INTRODUCCIN

En Venezuela y el mundo se ha visto la necesidad de buscar fuentes alternas de

energa. Primordialmente las razones se fundamentan en bajar el consumo de los

combustibles fsiles, logrando en el tiempo la disminucin de las emanaciones de CO2

y NOx que se depositan da a da en la atmsfera terrestre. En adicin a los factores

ambientales, se puede mencionar que en algunos pases el costo de la gasolina y toda la

gama de combustibles fsiles es bastante elevado.

La motivacin principal es combinar los aspectos tanto econmicos como

ambientales para crear una conciencia colectiva referente al uso de tecnologas de

generacin de energa, fundamentadas en recursos limitados que generan consecuencias

ambientales y econmicas.

Venezuela presenta un marco diferente al resto de los pases cuya economa no

se basa en la explotacin petrolera, sin embargo, la nacin ha olvidado la infinidad de

recursos naturales presentes ahogndose en el oro negro.

La implementacin de energas renovables en Venezuela traera innumerables

beneficios dentro de los campos ambientales y econmicos. La idea es no sustituir una

fuente de energa por otra, sino realizar una simbiosis entre ellas, de manera de llenar

los vacos que se crean por las limitaciones de cada una.

Las energas alternativas toman como fuente energtica elementos naturales que

se clasifican como virtualmente inagotables, ya que son capaces de regenerarse

mediante procesos de la naturaleza. Entre las fuentes ms importantes de energas

renovables tenemos el sol, el agua, el calor de la tierra, y el viento.

La energa elica o energa proveniente del viento, se encuentra dentro de las

energas alternativas, como una de las ciencias ms desarrolladas e investigadas

actualmente.

2

La energa elica nace en Europa, especficamente en Dinamarca. Hoy por hoy,

pases como Alemania y Espaa se sitan al nivel de Dinamarca, conformando los

pases europeos ms desarrollados en este tema, sin embargo, el resto del viejo

continente ha implementado en gran medida este tipo de energa.

En un futuro se espera aprovechar el recurso elico presente en todos los lugares

del mundo. La utilizacin del viento como fuente de energa, proporciona electricidad a

sus usuarios con un impacto ambiental casi nulo sin un gasto de combustible constante,

ya que la naturaleza lo proporciona.

El objetivo principal de este trabajo es el diseo de un aerogenerador de 5 kW de

potencia destinado al suministro de energa elctrica a poblaciones alejadas de la red

elctrica venezolana. Entre las ubicaciones tentativas de la mquina se encuentran las

zonas costeras, debido principalmente a que los vientos en estos lugares se caracterizan

por ser los ms elevados del pas.

La Isla de Margarita, la pennsula de Paraguan, el archipilago de Los Roques,

y la Pennsula de la Guajira, son los lugares especficos donde eventualmente se puede

ubicar la mquina.

El presente proyecto nace de las investigaciones previas realizadas sobre energa

elica en el pas. Especficamente la tesis realizada por los ingenieros Gerald Mayoral y

Anbal Graterol, basada en el diseo de un aerogenerador de 1 kW de potencia,

realizada como proyecto de grado en la Universidad Simn Bolvar para el ao de 2006.

De la tesis anteriormente citada, se utiliz un algoritmo de clculo que genera la

geometra de los labes para una condicin ptima de funcionamiento. El proceso de

clculo o algoritmo fue revisado, mejorado y adaptado en funcin del diseo que se

presentar en este trabajo.

El proyecto se limita al diseo de la mquina de 5 kW. Posteriormente se espera

entrar en una fase de construccin que permita la evaluacin del prototipo, para que en

un futuro se desarrollen otros proyectos referentes a energa elica, utilizando la

informacin aprendida. La fase de construccin no entra en el mbito de este trabajo, sin

3

embargo, todo el diseo realizado se pens en base a las limitaciones constructivas

presentes en Venezuela, desde la seleccin de los materiales hasta la geometra de los

componentes.

En el transcurso de la lectura, se observar todo el proceso que conllev el

diseo de la mquina de 5 kW. Se empezar por un recorrido acerca de los aspectos

tericos ms importantes en los que se basa el comportamiento de los aerogeneradores.

Es pertinente sealar que uno de los comportamientos tericos ms simples sobre las

mquinas elicas determinar una de las condiciones de diseo ms importantes.

Seguidamente se entrar en el diseo aerodinmico, conformado por los pasos

que se siguieron para darle la geometra al labe de la turbina. La forma de la pala o

labe se efectu para una condicin de flujo determinada, junto con las exigencias

estructurales que debe resistir el mismo.

Consecuentemente, el aerogenerador no es solo las palas, de manera que se

realiz el diseo mecnico de todos los elementos que conforman la mquina. Las

estimaciones de cargas bajo criterios de diseo proporcionaron las fuerzas respectivas

que debe soportar el aerogenerador para condiciones determinadas.

Como resultado, se obtuvieron dos propuestas de aerogeneradores de 5 kW de

potencia nominal, fundamentadas en dos opciones de generadores elctricos a utilizar.

Ambos se disearon para las mismas condiciones de flujo y las mismas cargas

estructurales.

4

CAPTULO 1 1. Planteamiento del problema.

1.1 Problemtica global.

El aumento geomtrico de la poblacin motiva a la bsqueda de fuentes de

energas alternativas que satisfagan los vacos potenciales de energa que se proyectan

para aos futuros en Venezuela y el mundo.

Si se observa a detalle a Venezuela, se evidencia la divisin del pas en dos

mundos. El primero corresponde a un grupo de personas que disfrutan de una calidad de

vida digna con todas las necesidades elementales cubiertas. Pero el segundo, representa

una gran cantidad de personas que viven al margen de la sociedad. Se hace referencia a

esta realidad ya que hoy en da un gran porcentaje de venezolanos no tienen acceso a la

electricidad.

Segn las estadsticas de la ONU/INE/BM/UNICEF/UNESCO [1], el 10% de la

poblacin para el ao del 2005 careca de energa elctrica. En base a estos datos, se

observa la cantidad de poblacin que se encuentra o se sigue encontrando marginada.

Para que estas personas se integrasen a la sociedad, se debera ofertar al menos un 10%

extra energa elctrica. Consecuentemente, es necesario crear nuevas infraestructuras

que permitan generar este remanente de energa, y esto sin contar con el crecimiento

constante de la poblacin que seguir demandando energa.

La realidad energtica que se avecina en el pas se puede observar en la figura a

continuacin. Los pronsticos de demanda elctrica sobrepasan los valores de oferta

para la infraestructura actual. En consecuencia, es necesario buscar nuevas alternativas.

Ver figura 1.1.

5

Figura 1.1 Balance energtico venezolano [1]

La situacin pronosticada en la figura 1.1 motiva a muchas empresas

venezolanas especializadas en generacin de energa, tanto termoelctrica como

hidroelctrica, a que se interesen cada vez ms en las denominadas fuentes de energa

renovables. Segn las estadsticas mundiales de la IEA ENERGY STATISTICS [2], el

crecimiento de las renovables ha aumentado de un 0,1% al 0,5% desde el ao 1973

hasta el 2001.

A nivel nacional, ya para el ao 2015 existir una demanda energtica que ser

pertinente suplir, y es por esto que la energa elica, al ocupar un lugar dentro de las

energas renovables, ser una de las alternativas a seguir para lograr suplir las futuras

demandas energticas.

Econmicamente la energa elica favorece al ahorro de combustibles fsiles

que dejarn de consumirse en el territorio nacional para ser destinados a la venta.

Simplemente no se trata de retirar una tecnologa del mercado, sino ms bien

aprovechar an mejor el petrleo que se explota, logrando as mayores ingresos al pas.

Ambientalmente, la implementacin de una tecnologa limpia con una fuente de

combustible casi infinita, logra en el tiempo bajar las emisiones de CO2, NOX y muchos

6

otros compuestos gaseosos que se alojan constantemente en la atmsfera, produciendo

la desmejora de la calidad del aire que se respira. Es evidente que la disminucin de

ellos significara una mejora a la salud, y sin contar la infinidad de aves y animales

marinos que se ven afectados cuando ocurren los nunca deseados derrames petroleros.

Ahora bien, combinando los factores ambientales con los factores econmicos,

se ha dejado de pensar el cuanto cuesta salvar los animales marinos despus de un

derrame, se ha dejado de pensar los millones de dlares invertidos en investigacin

mdica por casos de asma y fallas respiratorias, se ha dejado de pensar lo que costara

como humanidad cuando los casquetes polares se derritiesen a causa del calentamiento

global, en fin, existen una extensa cantidad de costos indirectos que se han expendido

en arreglar los daos que conciente o inconcientemente han producido aos de

tecnologas sucias. Es importante mencionar que ste tipo de energas han contribuido

en gran parte al desarrollo de la humanidad, sin embargo es necesario seguir el proceso

evolutivo pero con una conciencia ambiental de manera de preservar el lugar donde

habitan los seres humanos.

La energa elica es una alternativa que implementa el desarrollo sustentable

como primicia, logrando en el trmino de la distancia, la mejora de la calidad de vida

tanto de la humanidad, como la del planeta.

1.1.1 Problemtica especfica

Se tomar como base estudios previos sobre energa elica nacionales,

especficamente la tesis realizada por los ingenieros Gerald Mayoral y Anbal Graterol

para el ao 2006 en la Universidad Simn Bolvar [3], basada en el diseo de un

aerogenerador de 1kW de potencia para zonas rurales. En base a esta exitosa tesis, nace

este proyecto con una motivacin similar, con la diferencia de aumentar notablemente la

potencia de la mquina y consecuentemente, su ubicacin.

Este proyecto se basa en el diseo de un aerogenerador de 5kW de potencia,

pero para lograr que esta mquina genere tal potencia, es necesario ubicarla zonas donde

los vientos, en promedio, sean mucho mayores a los que se encuentran en el interior del

7

pas. Segn la escala de Beaufort [4], la intensidad de los vientos se puede apreciar en la

siguiente tabla.

Tabla 1.1: Escala de viento de Beaufort

Fuerza Beaufort Velocidad del viento (m/s)

Trminos usados en las predicciones del NWS

0 0 a 0.2 Calma

1 0.3 a 1.5 Ventolina

2 1.6 a 3.3 Brisa muy dbil

3 3.4 a 5.4 Brisa dbil, flojo

4 5.5 a 7.9 Bonacible, brisa moderada

5 8.0 a 10.7 Brisa fresca, fresquito

6 10.8 a 13.8 Fresco, brisa fuerte, moderado

7 13.9 a 17.1 Frescachn, viento fuerte

8 17.2 a 20.7 Temporal, viento duro

9 20.8 a 24.4 Temporal fuerte, viento muy duro

10 24.5 a 28.4 Temporal duro

11 28.5 a 32.6 Temporal muy duro, borrasca

12 mayor a 32.7 Temporal huracanado

La tabla 1.1 expone cmo se clasifican los vientos dependiendo de la velocidad

que se mida en promedio en un lugar determinado. Entendiendo que la velocidad de

viento vara impredeciblemente, se pueden construir mapas de viento que presenten las

velocidades promedio a lo largo de una medicin de calidad, logrando as una idea

grfica del recurso en un rea determinada. Existen otros factores que determinan la

velocidad del viento, pero este aspecto ser explicado a profundidad a lo largo de la

lectura.

1.1.2 Recurso elico en Venezuela

El recurso elico se potencia principalmente en las costas con vientos clase 6, y

vientos clase 7 para la Pennsula de Paraguan, lugar idneo para los emplazamientos

elicos en Venezuela. Las regiones al sur de la cordillera de la costa y la de los llanos

presentan un potencial elico notablemente disminuido comparado con el potencial de

las zonas costeras. Las zonas ubicadas desde la lnea que delimita el estado Bolvar

8

hacia el sur del pas, no presentan un recurso elico de calidad y por eso no aparecen

tabulados en la figura 1.2.

El siguiente grfico representa en cierta medida el recurso elico venezolano,

pero no necesariamente se comporta de sta manera, ya que se tienen dudas sobre el

origen de la data obtenida, pero s se ilustra la distribucin global de los vientos

venezolanos.

Figura 1.2: Mapa elico venezolano. Ao 2004

Gracias al potencial de elico existente en la regin costera, se consideran como

locaciones tentativas para la mquina de 5kW la Isla de Margarita, La Pennsula de

Paraguan, El archipilago de los Roques y la Pennsula de la Guajira. El diseo de esta

mquina va dirigido para el suministro elctrico de viviendas rurales que se encuentren

en estos lugares.

De manera ms puntual, se ha comentado por voz popular que en los Roques

existe una problemtica bastante interesante. Debido a la ubicacin del archipilago, la

comunidad se ve en la necesidad de utilizar plantas elctricas a base de combustibles

fsiles que son llevados a las islas en forma de barriles. Se ha visto que en algunas

ocasiones los barcos que transportan los barriles no pueden aventurarse a quedarse

encallados a la orilla de las playas, forzando a que el transporte de los mismos a las islas

9

sea en contacto directo con el mar, es decir, flotando hasta las costas. Sabiendo que el

archipilago es Parque Nacional, la disminucin del potencial riesgo que se induce al

transportar los barriles por el agua con la implementacin de mquinas elicas

pequeas, podra reducir la demanda de combustibles y evitar los potenciales derrames

de estos hidrocarburos. Para este caso particular, la instalacin de aerogeneradores trae

bastantes beneficios.

1.1.3 Consumo elctrico rural.

En primera instancia, se puede estimar el consumo energtico de una vivienda

rural para observar la cantidad de carga que puede manejar un aerogenerador de 5 kW.

Entre los artefactos elctricos mas comunes dentro de una vivienda rural se encuentran

los siguientes: 5 bombillos para alumbrado de la misma, cocina de dos hornillas, una

nevera de alta eficiencia, un televisor a color de 19, un calentador de agua y un equipo

de sonido. Segn la empresa venezolana de electricidad llamada ENELBAR (Energa

Elctrica de Barquisimeto), se puede estimar el consumo promedio mensual en kWh de

los artefactos mencionados en la tabla 1.2.

Tabla 1.2: Consumo elctrico promedio mensual de una vivienda rural

Artefacto elctrico Consumo diario

(Kwh.) 5 bombillos incandescentes de 60W (8 horas) 0.3000 Nevera de 16 pies de alta eficiencia (24 horas) 0.3784 Equipo de sonido (3 horas) 0.1032 Calentador de agua 1000W (3 horas) 1.0000 Televisor 19 (5 horas) 0.0946 Cocina de 2 hornillas (2 horas) 1.50

Consumo promedio mensual 547.93

Se debe recalcar que el consumo elctrico vara dependiendo de las horas de

funcionamiento de los artefactos elctricos y a la cantidad de los mismos. La fuente

tomada proporciona una idea del consumo promedio mensual de una vivienda rural para

las necesidades de Barquisimeto. El consumo elctrico puede variar segn los

requerimientos de otra ubicacin geogrfica, pero la informacin proporcionada permite

realizar un estimado certero del comportamiento de la vivienda, a manera de tener un

primer estimado de la carga de una vivienda rural.

10

1.2 Objetivos del proyecto.

1.2.1 Objetivo general

Disear un aerogenerador de eje horizontal de 5 kW de potencia que supla la

necesidad elctrica de una vivienda rural ubicada en las zonas costeras del pas, que

funcione para el viento predominante, como modelo de estudio para el desarrollo de

tecnologas nacionales que se adapten a proyectos futuros de implantacin de este tipo

de fuentes de energa.

1.2.2 Objetivos especficos

Puesta a punto de los algoritmos de clculo utilizados para el diseo de aerogeneradores previos

Estudio de perfiles aerodinmicos que satisfagan el diseo aerodinmico Diseo de los alabes con una geometra ptima para la velocidad de viento de

diseo definida

Diseo completo del rotor de la turbina Diseo mecnico de los elementos componentes del aerogenerador Especificaciones del generador elctrico y del sistema elctrico Diseo del sistema de orientacin y del sistema de control Diseo del carenado Diseo de la torre de soporte Realizacin de los planos para la construccin

11

CAPTULO 2 2. Marco terico

2.1 Aspectos generales sobre aerogeneradores

Los aerogeneradores son mquinas diseadas para convertir la energa cintica

del viento en energa mecnica rotacional en un eje, y ste a su vez se acopla a un

generador elctrico y se produce energa elctrica, bien sea para alimentar a una carga

especfica o para conectarse a la red elctrica.

Los aerogeneradores pueden ser de eje horizontal o eje vertical, sin embargo, se

har referencia especficamente de las mquinas de eje horizontal ya que son el tema

esencial de este trabajo.

Las HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) llamadas de esta manera por sus

siglas en ingls, turbina de viento de eje horizontal, son las mquinas que han dominado

el mercado debido a que presentan mejor desempeo respecto a otras configuraciones,

como por ejemplo las de eje vertical. La ventaja de aprovechar el movimiento lineal del

viento para producir un movimiento rotativo en un eje, permite inducir velocidades

elevadas de rotacin, aprovechando las velocidades de viento que se encuentran a

alturas elevadas gracias al uso de la torre. Las HAWT fueron utilizadas desde los

tiempos antiguos para tareas cotidianas como el bombeo de agua. En la siguiente figura

se observa un molino de viento antiguo.

Figura 2.1: Aerogeneradores en sus principios, enfocados al bombeo de agua.

12

Observando a detalle, se resalta el tmido desarrollo de la construccin de los

labes, llamados tambin palas, que son las piezas que captan la energa del viento,

produciendo el movimiento rotativo en el eje. Resaltado en la figura 2.1 se visualiza la

apariencia tubular pulida de los mismos, proveniente de lminas metlicas en algunos

casos de madera o incluso tela cortadas para dar la forma curveada.

La implementacin de estos materiales representaba grandes problemas debido a

la exposicin a los elementos de la naturaleza, bien sea la lluvia, la humedad o el sol. El

deterioro progresivo debido al medio ambiente llev a los investigadores a buscar

nuevas alternativas constructivas. El desarrollo de las fibras polimricas con bases de

fibra de vidrio y de carbono ha representado la punta de lanza actualmente, ya que son

materiales que siendo ms livianos que los metales, resisten grandes esfuerzos

estructurales y no deterioran con el medio ambiente.

En la actualidad, el desarrollo sobre la geometra de las palas mejora

continuamente, gracias a los centros de investigacin donde se prueban geometras

definidas y se investigan nuevos modelos matemticos para su modelacin.

La produccin de energa de una mquina elica se basa en la extraccin de

energa del aire cuando ste se desplaza de un punto a otro, y en el camino, la mquina

extrae y transforma parte de esta energa cintica en forma de rotacin, por medio de

unos elementos diseados especficamente para esta tarea llamados alabes o palas del

aerogenerador.

Como se ha mencionado anteriormente, el aerogenerador est sometido

constantemente al medio ambiente, cosa que exige mucho a la mquina desde el punto

de vista de diseo, ya que debe estar configurada para resistir fluctuaciones del flujo,

vientos cruzados, o incluso, estar preparada para las peores condiciones ambientales. Se

hace referencia a este punto ya que las cargas aerodinmicas inducidas en los rotores de

estas mquinas son bastante grandes cuando el viento aumenta notablemente,

entendiendo por rotor a la pieza mecnica conformada por las palas y su soporte.

13

Inicialmente se pueden hacer estimados de las cargas tanto estticas como

dinmicas mediante el uso de las mediciones de viento promedio de la zona, de manera

de predecir una carga media a la cual se someter el aerogenerador. La importancia de

las mediciones a la hora de un emplazamiento ser explicada mas adelante ya que

conlleva la explicacin del recurso elico, y los principios de diseo de cada

componente del aerogenerador en detalle.

2.1.1 Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal

Debido a que el proyecto se basa en el diseo de un aerogenerador de eje

horizontal, se deben mencionar los componentes principales de este tipo de mquinas. A

continuacin en la figura 2.2, se presentan las partes principales de un aerogenerador y

su ubicacin en el mismo.

Figura 2.2: Partes principales de un aerogenerador de eje horizontal.

14

A continuacin se describen las partes ms importantes de un HAWT.

labes o Palas: Son las estructuras ms importantes de la turbina, debido a ellas se trasmite eficientemente la energa cintica del viento al eje principal de

potencia. Debido a su perfil aerodinmico, crean zonas de baja y alta presin que

inducen fuerzas en la cara de la pala que da contra el viento. El diseo de esta

pieza involucra importantes variables aerodinmicas que sern explicadas

posteriormente. La pala determina las cargas que se transmiten a toda la

mquina.

Buje: Es la parte de la turbina a la cual van acopladas las palas. Gracias a esta pieza la energa cintica captada por las palas se transmite al eje principal de la

turbina para poder producir energa elctrica. El buje est sometido

constantemente a cargas aerodinmicas que se transmiten por las palas. El

diseo de esta pieza debe satisfacer condiciones extremas de viento entre otras

condiciones que sern explicadas ms adelante.

Multiplicador: Es simplemente una caja aumentadora de velocidad de giro que permite al aerogenerador lograr la velocidad de giro necesaria para acoplarse al

generador elctrico, debido a que el rotor gira a una velocidad mucho mas lenta

que la velocidad de giro requerida por el generador elctrico.

Eje de baja velocidad: es el eje principal que se acopla directamente al rotor del aerogenerador. Generalmente va acoplado a la caja aumentadora.

Eje de alta velocidad: se acopla directamente con el generador elctrico en caso de existir multiplicadora. Posee una velocidad elevada de giro debido a las

caractersticas de las mquinas elctricas generalmente utilizadas en los diseos

de gran potencia.

Gndola: es la pieza que sostiene todos los elementos de la turbina, que unida a la torre proporciona la proteccin de todas las partes de la misma ante los

elementos de la naturaleza.

15

Generador elctrico: es la mquina que genera la electricidad que va a alimentar una carga especfica o que puede conectarse a la red elctrica. Las innovaciones

continuas sobre generadores elctricos han revolucionado algunos diseos

particulares de aerogeneradores. Para efectos de ste proyecto se observar la

diferencia entre la utilizacin de diferentes tipos de generadores elctricos.

Torre: es la pieza estructural ms grande de toda la mquina. El asentamiento de la misma conlleva la aplicacin de la ingeniera civil debido a las fundaciones

necesarias que se utilizan y a otras razones estructurales. En las turbinas elicas

de eje horizontal la altura de la torre debe ser al menos lo suficientemente alta

para que la punta de las palas no pegue en el suelo. Una vez elevada la mquina,

es importante aprovechar el recurso elico eficientemente ya que las velocidades

de viento aumentan proporcionalmente en funcin de la altura respecto al suelo.

A medida que la torre es ms alta, los vientos sern ms veloces con condiciones

de flujo ptimas que permiten el buen desempeo de la misma.

2.1.2 Alternativas de Diseo.

Se presenta como resultado final dos alternativas de diseo de aerogenerador de

5kW. Concretamente se exponen dos mquinas perfectamente similares

conceptualmente, con geometras dismiles desde el punto de vista de diseo. En la

Universidad Simn Bolvar se lleva a cabo un proyecto independiente que consiste en la

adaptacin de una mquina de induccin a una mquina elctrica de imanes

permanentes, que permite la generacin de energa elctrica a velocidades especficas de

rotacin para el aerogenerador. En pro de la utilizacin de ste generador elctrico se

realizar un diseo especfico para adaptar esta mquina elctrica al aerogenerador de

5kW.

Adicionalmente, se ejecuta una segunda propuesta de diseo caracterizada por la

utilizacin de un generador elctrico de imanes permanentes producido por el fabricante

de origen coreano SEOYOUNG TECH. CO., LTD, Renewable Energy Devices, que

consta de excepcionales caractersticas para la generacin de energa.

16

2.2 Principios Tericos

2.2.1 El viento

Se genera por el movimiento de las masas de aire en dependencia a la irradiacin

solar y el movimiento de rotacin de la tierra. Como resultado se perciben las corrientes

de viento, siendo aprovechadas por los fabricantes de turbinas elicas. La ubicacin

geogrfica y las condiciones especficas de terreno determinan la intensidad del mismo.

En la figura 2.3 se observa de forma bastante simplificada las direcciones de los

vientos junto con las masas de aire fras y calientes que constantemente interactan

entre s.

Figura 2.3: Circulacin de los vientos a nivel mundial.

17

2.2.2 Estudio del fenmeno

Se toman las siguientes consideraciones para el desarrollo:

El aire se considera un fluido incompresible No se estudian las interacciones de un labe con otro No se toma en cuenta el flujo radial del aire por la pala

El viento es un fluido en movimiento que contiene energa. La energa del

mismo es proporcional a su velocidad. Si se observa la ecuacin de energa cintica a

continuacin:

2

21 mVEk = (2.1)

Donde:

m Es la masa que se encuentra en movimiento

V Es la velocidad a la que se mueve la masa.

Ek Es la energa cintica que contiene la masa en movimiento.

Se observa que la energa cintica es directamente proporcional a la masa y al

cuadrado de la velocidad segn la ecuacin Newtoniana de la fsica clsica. Debido a

que se quiere calcular la potencia que contiene el viento, se necesita la tasa de energa

en el tiempo. De manera que se denota el flujo msico del aire que pasa por el disco

actuante de la turbina (disco barrido por las palas al girar) de la siguiente manera:

AUdm = (2.2) Donde:

dm Es el flujo msico de aire que se encuentra en movimiento.

Es la densidad del aire .

U Es la velocidad del viento.

18

Se combinan las ecuaciones 2.1 y 2.2 a manera de obtener como resultado la tasa

de energa en el tiempo:

3AUPviento = (2.3)

El aspecto ms importante de la expresin 2.3 es que la potencia que se puede

extraer del viento es proporcional al cubo de la velocidad del mismo.

Cuando el aire atraviesa la turbina la energa que contiene se transforma en

energa de rotacin y se transmite al eje principal. Debido a la transformacin de

energa el aire pierde velocidad. El aerogenerador no puede aprovechar completamente

la energa presente en el viento, ya que existe una prdida aerodinmica en el proceso.

Si la mquina extrajese la totalidad de la energa del viento, este se frenara por completo

al cruzar el disco de barrido. Sin embargo este comportamiento es poco probable ya que

la masa de aire que se ubica en el disco en un momento determinado es impulsada por la

masa de aire subsiguiente, como el flujo de agua por un ro, que siempre se encuentra en

movimiento. Lo mismo ocurre en la fsica de estas mquinas, y para ilustrar el

comportamiento se puede observar la figura 2.4.

Figura 2.4: Viento a travs de un aerogenerador.

19

El viento inicialmente posee una velocidad V1. Cuando traspasa el disco

actuante se frena debido a la presencia de las palas, obteniendo una velocidad V2. La

velocidad de viento especfica en el lugar donde se ubica el rotor no corresponde a la

velocidad V1 ni V2. Si se utiliza la velocidad V1 o V2 para calcular la potencia del

viento se estara cometiendo una mala aproximacin. En consecuencia se realizan

operaciones matemticas para obtener el valor preciso.

Se observa un esquema de las velocidades del viento y las zonas de estudio

relevantes para el anlisis del comportamiento de la mquina. Ver figura 2.5.

Figura 2.5: Esquema de velocidades en el rotor. Se visualizan las zonas 1, 2,4 y 4 con sus

velocidades respectivas.

20

A partir de la figura 2.5 se aplica la conservacin del momento lineal al volumen

de control definido por las zonas 1 y 4, suponiendo que el flujo es constante en el

tiempo, incompresible y unidimensional. La expresin resulta de la siguiente manera:

4411 )()( AUUAUUT = (2.4) Donde

T Momento lineal

(AU)i Flujo msico en ambas posiciones

U1 Velocidad de viento inicial

U4 Velocidad de viento final

En estado estable, los flujos msico son iguales. Se asume que la cantidad de

masa antes y despus del rea de barrido es equivalente y se obtiene la siguiente

condicin:

41 )()( AUAU = (2.5)

Gracias a ste comportamiento terico resulta la siguiente expresin:

)( 41 UUdmT = (2.6)

Se entiende dm como el flujo msico en el tiempo.

Consecuentemente se aplica la ecuacin de Bernoulli entre los dos volmenes de

control implcitos en la figura 2.5, denotados como las zonas de 1 a 2, y de 3 a 4

respectivamente.

222

211 2

121 UpUp +=+ (2.7)

244

233 2

121 UpUp +=+ (2.8)

21

Se asume que las presiones aguas arriba y aguas abajo son iguales, de forma que

p1 es igual a p4. La velocidad en el disco se mantiene igual, siendo U2 igual a U3. Se

resuelve el sistema utilizando las ecuaciones (2.7) y (2.8) para escribir la ecuacin de la

conservacin de momento lineal de la siguiente manera:

)( 322 ppAT = (2.9)

Seguidamente se despeja (p2-p3) de las ecuaciones de Bernoulli (2.7) y (2.8),

para sustituirlas en la ecuacin (2.9) llegando a la siguiente expresin:

)(21 2

42

12 UUAT = (2.10)

Se igualan las ecuaciones del momento (2.7) y (2.8), tomando como flujo msico

el valor de A2U2. Obteniendo la siguiente expresin:

2)( 41

2UUU += (2.11)

De sta manera se evidencia tericamente el valor de la velocidad de viento

cuando atraviesa el disco de barrido de la turbina. Adicionalmente, se puede introducir

un parmetro adimensional importante a la hora de entender la aerodinmica de las

turbinas de viento, llamado el coeficiente de induccin axial, definido por la siguiente

expresin:

1

21

UUUa = (2.12)

El coeficiente de induccin axial proporciona una idea de cuanto se reduce la

velocidad del viento libre al atravesar la mquina.

22

Manipulando las ecuaciones anteriores se puede escribir los valores de U2 y U4

en funcin del coeficiente de induccin axial, dando como resultado las siguientes

expresiones:

)1(12 aUU = (2.13)

)21(14 aUU = (2.14)

Seguidamente se puede escribir la ecuacin de la potencia del aerogenerador en

funcin del coeficiente de induccin axial.

))((21)(

21

414122224

212 UUUUUAUUUAP +== (2.15)

Se sustituyen los valores de U4 y U2 de las expresiones (2.13) y (2.14)

obteniendo la expresin para la potencia de la turbina en funcin del coeficiente de

induccin axial de la siguiente manera:

23 )(421 aaaAUP = (2.16)

El resultado anterior es de suma importancia ya que permite introducir un nuevo

parmetro importante denominado coeficiente de potencia, el cual se denota de la

siguiente manera:

AUPCp

3

21 = (2.17)

23

Se caracteriza por el cociente entre la potencia mecnica del rotor entre la

potencia contenida en el viento, representando en cierta medida el rendimiento de la

turbina. De igual manera se puede escribir el coeficiente de potencia en funcin del

coeficiente de induccin axial:

2)1(4 aaCp = (2.18)

Derivando la expresin (2.18) en funcin de a e igualndola a cero, se puede

encontrar el valor de a para el cual el coeficiente de potencia es mximo, dando como

resultado a=1/3, por lo tanto:

5926.02716 ==mximoCp (2.19)

Esto implica que slo se puede extraer el 59,26% de la energa contenida en un

flujo de aire en movimiento. Esta condicin se conoce como el lmite de Betz [5]. Hoy

por hoy, las mejoras en los diseos de aerogeneradores permiten obtener valores de

coeficiente de potencia muy cercanos a este lmite terico. Se han realizado diversas

investigaciones sobre la capacidad de extraer energa del viento que superan el valor

lmite de Betz, sin embargo se toma como base la teora Betz a manera de adquirir

resultados conservadores. El coeficiente de potencia del aerogenerador se ve afectado

por el desempeo de sus componentes tanto elctricos como mecnicos, de los cuales se

hablar a detalle ms adelante.

Adicionalmente a los parmetros anteriormente citados, se puede determinar

otro parmetro adimensional que determina el comportamiento de la mquina,

denominado coeficiente de empuje. Se define como el cociente entre la fuerza que

ejerce la masa de viento incidente en el disco de barrido de las palas entre la fuerza

dinmica del viento. Observado la expresin a continuacin:

2

21 AU

TCT = (2.20)

24

Tomando en cuenta el valor de T en funcin del coeficiente de induccin axial:

))1(4(21 2

1 aaAUT = (2.21)

El valor terico de la ecuacin del coeficiente de empuje presenta un mximo de

1,0 cuando a equivale 0,5. El coeficiente de empuje CT equivale a 8/9 cuando el valor

de a es de 1/3. El comportamiento cuadrtico de la expresin 2.21 no resulta lgico a

partir de a=0,5. La expresin implica que el empuje disminuye a medida que se tenga

mayor resistencia al paso del flujo. En consecuencia es necesario analizar a detalle el

rango de valores vlidos que proporcionan las ecuaciones de CT. Graficando el

comportamiento de las ecuaciones de coeficiente de induccin axial y de coeficiente de

potencia resulta lo siguiente:

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

Coeficiente de Induccin Axial

Mag

nitu

d

Coeficiente de EmpujeCoeficiente de Potencia

Grfico 2.1: Coeficiente de potencia y Coeficiente de empuje en funcin de a

La teora de Betz resulta vlida para el intervalo de valores de a desde 0 hasta

0,5. Para ilustrar el motivo de anlisis de la ecuacin, se puede tomar como ejemplo el

comportamiento del empuje que siente una pared de cara perpendicular al flujo de

viento, con el que sentira la misma pared si se ubicase de cara paralela al mismo flujo.

Lgicamente la pared de cara perpendicular siente ms empuje que la de la cara

paralela. En consecuencia se busc la necesidad de investigar sobre el fenmeno y

25

escribir las relaciones empricas que proporcionen el comportamiento ms adaptado a la

realidad.

2.3 Estudio del comportamiento de las ecuaciones

Se verificaron las ecuaciones utilizadas para el clculo de las variables

aerodinmicas presentes en el algoritmo de clculo desarrollado por los ingenieros

nombrados en el CAPTULO 1, de manera de optimizar y mejorar los aspectos

necesarios para poner a punto la metodologa de clculo.

2.3.1 Coeficiente de empuje vs. Induccin axial

Se estudia el comportamiento de diferentes ecuaciones que explican y modelan

las variaciones del valor del CT. Las ecuaciones que se analizan a continuacin tienen

diferentes consideraciones, unas ms antiguas que otras que no dejan de ser importantes

por su definicin cronolgica, sin embargo son necesarias para mejorar el algoritmo de

clculo.

La teora de Prandtl y Glauert describe el comportamiento del coeficiente de

empuje cuando el valor de a sobrepasa el valor de 0,5.

Es importante realizar el estudio del coeficiente de empuje ya que en base a

stos nmeros adimensionales se determina el rendimiento terico de la mquina. Se

debe controlar el empuje que ejerce el viento al pasar por el disco de barrido a manera

de no generar reacciones estructurales excesivas que carguen la mquina.

Adicionalmente existe un fenmeno que produce la reduccin de la eficiencia de la

turbina denominado como estela en rotacin. Este fenmeno le induce movimiento de

rotacin al flujo debido al giro del rotor, generando una estela que se aleja de la turbina

describiendo una hlice. El momento angular inducido en el flujo va determinado por

las velocidades angulares que se producen. Si el flujo de aire presenta un movimiento

rotativo antes de pasar por el rotor se produce una disminucin en la extraccin de

energa cintica del viento, y en consecuencia se producen prdidas de origen

aerodinmico. Las mquinas que poseen velocidades elevadas de rotacin presentan

26

menores prdidas por la rotacin de la estela que las mquinas que tienen velocidades

de rotacin menores.

Otro factor que puede afectar el coeficiente de empuje son las prdidas que

ocurren en las puntas de las palas, ya que en sta parte del labe se puede producir

desprendimiento de flujo.

En orden de encontrar el comportamiento ms adecuado del coeficiente de

empuje, se analizan las siguientes expresiones empricas que consideran los aspectos

anteriormente mencionados.

Ecuacin de Glauert sin prdidas en la punta:

6427,0)143,0(0203,0889,0

2= aCT (2.22)

Ecuacin de Glauert con prdidas en la punta:

6427,0)143,0(0203,0889,0

2= FaCT (2.23)

Ecuacin de Prandtl sin prdidas en la punta:

2

328,0

36,1 aaCT ++= (2.24)

Ecuacin de Prandtl con prdidas en la punta:

( 2328,0

36,1 FaFaCT ++= )

)

(2.25)

Ecuacin de David Espera con prdidas en la punta:

( aFCT += 6,004,04 (2.26)

27

Se grafican las expresiones anteriores para observar de forma visual su

comportamiento.

GRAFICO DE COEFICIENTE DE EMPUJE

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

a

Ct

Ecuacin 2.22 Ecuacin 2.24Ecuacin 2.23Ecuacin 2.25Terica de Betz

Grfico 2.2: Coeficiente de empuje en funcin de a para diferentes expresiones

El grfico 2.2 recrea el incremento que presenta el valor de CT a medida que

aumenta el coeficiente de induccin axial. La validez de la teora de Betz se limita hasta

el comienzo del dominio de las ecuaciones presentadas en el grfico. A simple vista se

observa la pequea diferencia de valores que arrojan las diferentes ecuaciones. En

principio la ecuacin de Glauert con prdidas en la punta se comporta de la forma ms

conservadora respecto a las dems relaciones, ya que arroja los valores ms pequeos

para mismos valores de a.

Seguidamente se observa el comportamiento especfico de las ecuaciones de

Glauert y Prandtl con prdidas en la punta respecto a la ecuacin terica de Betz

comparada con la relacin de David Spera [6]. Ver grfico 2.3.

28

Coeficiente de empuje con prdidas en la punta

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

1,400

1,600

1,800

2,000

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

Coeficiente de induccin axial (a)

Ct

Ecuacin 2.23Ecuacin 2.26Terica de BetzEcuacin 2.25

Grfico 2.3: Coeficiente de empuje en funcin de a. Glauert, Spera, Prandtl

La relacin emprica de Prandtl se aproxima bastante a la ecuacin de Glauert

con prdidas en la punta. La relacin de David Spera presenta una desviacin

considerable respecto a valores iguales del coeficiente de induccin axial. Para efectos

de clculo, es recomendable utilizar la ecuacin de Glauert debido a que es la expresin

ms conservadora respecto a sus equivalentes.

2.3.2 Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad

La razn de velocidad se define como el cociente entre la velocidad lineal de la

punta de la pala entre la velocidad del viento de diseo. Se denota mediante la siguiente

expresin:

UR= (2.27)

Donde:

Razn de velocidad

Velocidad de giro de la turbina

R Distancia desde el centro del rotor a la punta de pala

29

Primordialmente la razn de velocidad indica cuan rpida es la velocidad de

rotacin de la turbina para una velocidad especfica de viento. En consecuencia se debe

elegir un valor que optimice todas las posibles condiciones aerodinmicas de la

mquina.

Las relaciones existentes que describen el comportamiento del coeficiente de

potencia dependen de la razn de velocidad, el nmero de palas, y el perfil

aerodinmico. Se originan en base a estudios empricos desarrollados en base al

comportamiento terico de aerogeneradores. A efectos del proyecto, se compararon dos

expresiones para evaluar su comportamiento. Se tiene en cuenta que la expresin 2.29

fue utilizada en los trabajos previos de energa elica mencionados en el CAPTULO 1,

y la ecuacin 2.28 fue tomada de una nueva fuente [7].

( )

+

++

=

BCCB

Cp

d

l

21

57,020832,1

2716 2

3/2

2

(2.28)

( )

+++

=d

l

CC

BB

BBCp

21

92,10025,004,048,1

593,02

267,0

67,0

(2.29)

Donde:

B Nmero de alabes

Cl Coeficiente de sustentacin

Cd Coeficiente de arrastre

Los coeficientes de sustentacin y arrastre son caractersticos del perfil

aerodinmico, de manera que para poder observar el comportamiento de las expresiones

2.28 y 2.29 fue necesario determinar unos valores hipotticos coherentes que

permitiesen la visualizacin de ambas ecuaciones.

30

Las grficas se construyeron para condiciones de Cl/Cd de 40, 60, 80, 100 y 120,

bajo una configuracin de tres labes arrojando las curvas presentes en el grfico a

continuacin.

Coeficiente de potencia

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Razn de velocidad

Cp

L/D=40 Ec. 2.28L/D=60 Ec. 2.28L/D=80 Ec. 2.28L/D=100 Ec. 2.28L/D=120 Ec. 2.28L/D=40 Ec. 2.29L/D=60 Ec. 2.29L/D=80 Ec. 2.29L/D=100 Ec. 2.29L/D=120 Ec. 2.29

Grfico 2.4: Coeficiente de potencia para diferentes condiciones de sustentacin y arrastre.

Observando el grafico 2.4, se nota claramente la desviacin de los valores del

coeficiente de potencia para condiciones iguales del perfil aerodinmico cuando el valor

de Cl/Cd es bajo. Para valores de Cl/Cd del orden de 40, la desviacin de ambas

ecuaciones es del 20%. Para cuando el cociente de Cl/Cd se encuentra en el orden de

120, la desviacin de ambas ecuaciones es mucho menor, alrededor del 10%

aproximadamente.

Se atribuye la diferencia de resultados a la configuracin de ambas ecuaciones.

Una de ellas se conforma en su mayora por fracciones, y la otra por nmeros

decimales. Matemticamente, una fraccin es ms exacta que un nmero decimal.

Aunque la ecuacin 2.29 arroje resultados ms conservadores que permiten no estimar

ms potencia de la que tericamente se produce, se toma la ecuacin 2.28 como

definitiva para el clculo del coeficiente de potencia, por estar definida de manera

fraccionaria.

31

2.4 Respecto a los fundamentos tericos utilizados para el desarrollo del algoritmo de

clculo utilizado en los trabajos previos de energa elica

Las consideraciones de clculo tomadas en los trabajos previos de energa elica

se utilizan en el proyecto. Siendo el mismo un aspecto desarrollado en los trabajos

previos de energa elica no se explicar a detalle su funcionamiento.

2.4.1 Respecto a la teora de momento de labe

Las expresiones a continuacin se caracterizan por el anlisis de un volumen de

control anular determinado por el ancho de un diferencial de radio dr basado en la

cantidad de movimiento lineal y angular. Se cuantifica la contribucin diferencial del

empuje y momento que produce una fraccin de la pala. Las ecuaciones toman en

cuenta el factor de la rotacin del flujo cuando se aleja del rotor.

En cuanto a la cantidad de movimiento lineal:

( ) draaUdT = 142 (2.31)

En cuanto a la cantidad de movimiento angular:

( ) drrUaapdQ = 314 (2.32)

Donde representa la velocidad de rotacin del flujo, ms no la del rotor de la

turbina.

El valor de ap corresponde al coeficiente de induccin angular. Representa

adimensionalmente la porcin de flujo al cual se le induce rotacin al pasar por el disco

actuante de la turbina.

32

2.4.2 Respecto a la teora de elemento de alabe

Las fuerzas que siente la turbina pueden ser expresadas en funcin de los

coeficientes de sustentacin y arrastre y el ngulo de ataque. El anlisis se basa en la

subdivisin de N elementos o secciones a lo largo de la pala.

En esta teora se asume:

No existe interaccin aerodinmica entre los elementos

Las fuerzas en los perfiles aerodinmicos son producidas solamente por las caractersticas de sustentacin y arrastre de la forma del perfil.

En cuanto a la teora de elemento de alabe:

( drcCCWBdFa dl += sincos21 2 ) (2.33)

( ) drrcCCWBdQ dl += cossin21 2 (2.34)

Donde:

W2 Velocidad relativa del viento al cuadrado

Angulo de ataque

c Cuerda del perfil

33

2.5 Consideraciones bsicas de perfiles aerodinmicos

Los perfiles aerodinmicos son geometras planas que al desplazarse a travs del

aire generan una distribucin de presiones que producen sustentacin y arrastre. La

sustentacin se define como la fuerza generada sobre un cuerpo que atraviesa un flujo

de aire en direccin perpendicular respecto a la direccin del flujo incidente. El arrastre

es la fuerza generada sobre un cuerpo que atraviesa un flujo de aire en direccin al flujo

incidente que trata de llevarlo con l.

2.5.1 Funcionamiento bsico de los perfiles

Las fuerzas principales generadas se conocen como fuerza de sustentacin y

fuerza de arrastre. Observando la figura a continuacin se aprecia el fenmeno de

sustentacin debido a un perfil aerodinmico.

Fa

Figura 2.6: Perfil aerodinmico.

La fuerza de sustentacin resultante debido a la distribucin de presiones se

denota en la figura 2.6 con la letra F, y la fuerza de arrastre como Fa. Generalmente se

busca que los perfiles generen ms sustentacin que arrastre. Adicionalmente se define

como cuerda del perfil a la longitud del mismo. En el proyecto se enfoca el

comportamiento especfico de los perfiles aerodinmicos en aplicaciones de turbinas

elicas. A continuacin se puede observar como se comporta el flujo de aire a travs del

perfil de la pala y las fuerzas generadas.

34

2.5.2 Tringulo de velocidades y reacciones relevantes.

A continuacin se observa la configuracin de las fuerzas y velocidades

presentes en el perfil aerodinmico de la pala de un aerogenerador.

Figura 2.7: Tringulo de velocidades en el perfil.

Resaltado en rojo:

Tringulo de velocidades donde:

V Velocidad de viento en el rotor

W Velocidad relativa del viento en el perfil

Vtang Velocidad tangencial del rotor

Resaltado en azul:

Fuerzas aerodinmicas resultantes en el perfil donde:

dS Diferencial de fuerza de sustentacin

dA Diferencial de fuerza de arrastre

dF Diferencial de fuerza resultante

Resaltado en verde:

Configuracin de fuerzas transmitidas al rotor de la turbina:

dFu Diferencial de fuerza til

dFa Diferencial de fuerza axial

35

2.6 Algoritmo de clculo

2.6.1 Consideraciones respecto al proceso de clculo

La integracin de ambas teoras (elemento y momento de labe) y la creacin del

algoritmo fue lo que se realiz en los trabajos previos de energa elica mencionados en

el CAPTULO 1. En este proyecto slo se analizaron las ecuaciones anteriormente

citadas para mejorar el proceso de clculo y desarrollar otras metodologas que pudiesen

simplificar el cmputo del algoritmo. La estructura del algoritmo modificado y

mejorado se puede observar en los anexos del trabajo.

2.6.2 Configuracin general del algoritmo de clculo

El funcionamiento bsico del algoritmo base se presenta a continuacin.

1. Se introducen las variables de entrada:

Potencia necesaria, diferencial de elementos de alabe, error

permisible, densidad del aire, viscosidad del aire, velocidad de

diseo, radio base de la pala, razn de velocidad, perfil

aerodinmico, nmero de palas.

2. Se fijan los valores de las variables dinmicas en valor nulo para que a medida

de las iteraciones se sumen los diferenciales de fuerzas y momentos.

Fuerza til de pala =0

Fuerza axial =0

Momento til =0

Momento axial =0

3. Se definen los valores de U y razn de velocidad

4. Se fija como valor semilla el coeficiente de induccin axial en a = 0,2

36

5. Se calcula el valor de coeficiente de induccin rotacional, velocidad del viento

en el rotor, ngulo de incidencia, cuerda, factor de prdida en la punta,

coeficiente de empuje y a*.

6. Se verifica el error existente entre a y a* por la siguiente expresin

max* aa 7. No se cumple la condicin anterior

a = a*

Se regresa al punto 4

8. Si se cumple la condicin anterior

9. Se calculan los diferenciales de fuerza til, diferenciales de fuerza axial,

diferenciales de momento til, diferenciales de momento axial y nmero de

Reynolds.

10. Se actualizan los valores de la siguiente manera:

dMaMaMadMMMdFaFaFadFuFuFu

+=+=+=+=

11. Se procede a calcular el prximo elemento de alabe por la expresin:

RrdRrr

+=

12. Si no se cumple la condicin anterior, se regresa al punto 3

13. Si se cumple la condicin anterior

14. Se calcula la potencia y el coeficiente de potencia

FIN

37

CAPTULO 3

3. Aspectos modificados del algoritmo de clculo y metodologa de diseo

Para comenzar el diseo del aerogenerador se define la metodologa de diseo

en base al algoritmo de clculo mejorado.

3.1 Modificaciones al algoritmo de clculo

Los aspectos ms importantes respecto a la puesta a punto del algoritmo de

clculo fueron los siguientes.

Se cambi la ecuacin del coeficiente de potencia de manera de tener un resultado ms exacto debido a consideracin de la estructura de la ecuacin 2.29.

Se analiz el comportamiento de las ecuaciones del coeficiente de empuje, coeficiente de induccin axial para modificarla si fuese el caso. Sin embargo las

ecuaciones utilizadas se comportan excelentemente y no se modifico la ecuacin

2.23 respecto al coeficiente de empuje.

Se elimin todo el clculo referente a la masa de las palas debido a la incorporacin de programas computacionales destinados a esta tarea.

Se implementaron variables fijas como la velocidad de giro de la turbina y el radio de las palas, para estimar las reacciones estructurales pertinentes cuando

los sistemas de control se activan y permitir el anlisis de variables

aerodinmicas que determinan el diseo aerodinmico y mecnico.

Se valid el desempeo de las ecuaciones utilizadas para la generacin de la geometra de pala con teoras similares. Sin embargo el comportamiento del

algoritmo realizado con los cambios pertinentes fue excelente.

38

3.2 Metodologa de diseo utilizada.

Con el algoritmo de clculo optimizado, se comienza con el proceso de diseo.

El diseo del aerogenerador se puede dividir en dos fases. La primera se refiere al

diseo aerodinmico y la segunda al diseo mecnico de los componentes.

3.2.1 Metodologa de diseo aerodinmico

El diseo aerodinmico se corresponde principalmente en desarrollo de la

geometra de la pala para las condiciones especficas de funcionamiento definidas por el

diseador.

El proceso se caracteriza por realizar estimaciones iniciales de todas las

variables aerodinmicas en base al algoritmo de clculo. El algoritmo arroja resultados

para las condiciones iniciales introducidas. Seguidamente se analizan las primeras

estimaciones o iteraciones, a manera de afinar los resultados en base a los criterios de

diseo. El proceso de clculo permite generar la geometra de la pala de forma rpida y

sencilla, sin embargo el problema radica en analizar las variables pertinentes para la

concepcin de un buen diseo.

3.2.2 Metodologa de diseo mecnico

El diseo mecnico se define como la creacin y seleccin de todas las piezas

mecnicas necesarias para que la mquina funcione a cabalidad. Adicionalmente se

estiman los materiales a utilizar.

Similarmente al proceso de diseo aerodinmico, se utiliza el algoritmo de

clculo para estimar las cargas aerodinmicas que se generan en el rotor y que se

transmiten a toda la estructura.

Gracias al proceso iterativo y a la utilizacin de las variables fijas en el proceso

de clculo, se pueden estimar todas las fuerzas para condiciones especficas de

funcionamiento.

39

Las piezas mecnicas deben resistir tanto las cargas estticas como las cclicas.

Por medio del algoritmo de clculo se cuantifican todas ellas y luego se procede al

modelado de las piezas en los programas computacionales. Seguidamente se verifica la

resistencia de los materiales de las piezas y finalmente se estima su desempeo a fatiga

dependiendo de la exigencia a la cual se somete la pieza.

40

CAPTULO 4

4. Diseo aerodinmico

4.1 Consideraciones iniciales sobre diseo aerodinmico

El diseo aerodinmico de una turbina elica se resume bsicamente en

desarrollar la geometra de la pala. Para definir su forma deben ser tomadas en cuenta

consideraciones aerodinmicas junto con consideraciones estructurales que le

proporcionen resistencia y confiabilidad a la pala en condiciones de alta exigencia de

carga.

Entre las consideraciones aerodinmicas se encuentran las siguientes:

4.2 Potencia nominal respecto al radio de pala.

La potencia nominal de la turbina afecta proporcionalmente a la longitud de

pala. La ecuacin que determina el radio de pala en funcin de la potencia requerida es

la siguiente:

omximo

necesaria rCpU

PotR += 3

2 (4.1)

Donde:

R Radio del centro del rotor a la punta de pala

Potnecesaria Potencia nominal necesaria a generar

Cpmximo Coeficiente de potencia mximo

ro Radio base

A medida que se requiere mayor potencia, la pala deber ser ms grande para

captar la mayor energa posible. Debido a que las dimensiones de la misma estn

limitadas por razones estructurales, no se debe fijar un valor de radio de pala tomando

41

en cuenta nicamente los requerimientos de potencia, ya que el radio de pala determina

una serie de comportamientos aerodinmicos que sern analizados ms adelante, sin

embargo la potencia nominal de la mquina se fija en 5 kW.

4.3 Nmero de palas, razn de velocidad y coeficiente de potencia

4.3.1 Nmero de palas

Las mquinas mono pala o de una sola pala, son mquinas que giran a

velocidades elevadas con coeficientes de potencia elevados, debido a sus altos valores

de razn de velocidad. Estas mquinas son tericamente muy eficientes pero

estructuralmente, proporcionan innumerables problemas de balanceo y vibraciones que

en el tiempo destruyen la mquina o en otro caso, elevan los costos de mantenimiento.

La mquina de tres palas proporciona un balanceo perfecto debido a que cada

pala se encuentra a 120 respecto a otra. Cuando la pala pasa por la sombra de la torre

se manifiesta una distribucin desigual de las fuerzas sobre la misma que producen

vibraciones. A medida que aumenta el nmero de palas las vibraciones producidas por

este fenmeno se mitigan.

El Cp es afectado por la cantidad de palas que presente el aerogenerador ya que

no es lo mismo captar toda la energa cintica del viento en una sola pala, que captarla

en un arreglo de muchas palas. Cada una proporciona una fraccin de empuje til que

determina el torque o par que entregar la turbina. Un gran nmero de palas genera

reacciones estructurales importantes gracias al empuje que ejerce el viento sobre el

disco actuante de la turbina, lo cual es negativo debido a las reacciones que se generan.

Como parmetro de diseo, se fija que el aerogenerador conste de 3 palas para

disminuir los problemas de balanceo y vibraciones. Una vez con el nmero de palas

definido, es necesario determinar un valor especfico de razn de velocidad.

42

4.3.2 Razn de velocidad y Coeficiente de potencia

Recordando la expresin 2.27, se observa que condiciona la velocidad de giro

de la turbina en su condicin nominal y fuera de ella. Adicionalmente determina el

coeficiente de potencia de la mquina, de manera que es necesario determinar un valor

especfico para una condicin de operacin.

Las mquinas con razones de velocidad bajas generalmente constan de

coeficientes de potencia bajos. A medida que aumenta el valor tambin lo hace la

velocidad de giro de la turbina.

En el grfico 4.1 se observa el comportamiento del coeficiente de potencia en

funcin de la razn de velocidad. Se observa que el mximo Cp no se ubica para los

valores mayores de . La grfica corresponde al comportamiento de la ecuacin 2.29

para la condicin de tres alabes y para un cociente de coeficiente de sustentacin entre

coeficiente de arrastre de 90.

Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2

Razn de velocidad

Cp

0

Grfico 4.1: Coeficiente de potencia vs. Razn de velocidad.

43

Se observa un mximo para valores de razn de velocidad cercanos a 8. Es

importante seleccionar un valor relativamente alto de , debido a que la turbina gira ms

rpido y la extraccin de energa se magnifica, reduciendo proporcionalmente el tamao

de las palas, lo cual representa una disminucin en peso y costos de materiales. En

segundo lugar, a mayores velocidades de giro el torque se reduce proporcionando una

disminucin de elementos robustos que soporten grandes cargas, especficamente los

ejes principales de las turbinas y sus soportes respectivos, sean chumaceras o

rodamientos.

4.4 Velocidad de viento de diseo

Es uno de los valores ms importantes a definir a la hora de disear una turbina

de viento. En primer lugar debe entenderse que el recurso elico es una fuente de

energa variable. Las variaciones de los valores de velocidad de viento dependen de la

poca del ao, las estaciones, las condiciones del relieve, el da y noche, la altura, las

horas del da del lugar o emplazamiento.

Se puede complementar que existen zonas que son mucho ms ventosas que

otras, y su potencial debe ser estudiado a profundidad antes de emplazar una mquina

elica. Es posible encontrar de igual manera, lugares que en tiempos pasados fueron

ventosos pero actualmente han reducido su potencial o viceversa. Debido a esto es

importante comparar las velocidades de viento de un emplazamiento respecto a su

historia y sus promedios a lo largo de los aos, para hacer pronsticos y estimar la

rentabilidad de la mquina en un lugar especfico.

La velocidad de viento de diseo representa el punto nominal de la turbina junto

con una cantidad de consecuencias estructurales que afectarn a todos sus componentes

mecnicos y elctricos. Debido a esto su definicin debe ser certera y precisa.

44

4.4.1 Velocidades de viento promedio

Inicialmente, la velocidad de viento de diseo se determina por el lugar donde se

espera colocar la turbina. En Venezuela, las zonas ms ventosas se ubican en las costas

del pas. Con el conocimiento de las velocidades de viento promedio de cada lugar se

estiman los valores iniciales tentativos.

La recopilacin de la data de viento de diferentes lugares es responsabilidad

principal de los organismos meteorolgicos que pronostican y guardan los datos para

una futura aplicacin cientfica. Cada pas u organizacin que est interesado en

desarrollar energa elica, debe tomar en cuenta la importancia de la medicin del

recurso elico. A efectos del proyecto se aprovecha la tecnologa extranjera proveniente

de una pgina de Internet llamada www.windfinder.com, que proporciona registros de

data de viento medidos con anemmetros ubicados en la localidad de inters. Gracias a

esta facilidad, se puede estimar los promedios mensuales de las velocidades de viento de

los lugares de inters.

Tabla 4.1: Velocidades de viento promedio mensual en Paraguan.

Meses Probabilidad % Velocidad Promedio Mensual

(m/s) 1 77 9 2 86 10 3 90 11 4 83 9 5 81 10 6 90 10 7 87 10 8 81 9 9 65 8 10 53 7 11 59 8 12 76 8

Velocidad promedio anual 9.1

La data anterior se basa en observaciones tomadas entre marzo de 2002 y abril

de 2007 diariamente desde las 7 a.m. a 7 p.m. en tiempo local.

45

Tabla 4.2: Velocidad de viento promedio mensual en El Yaque, Isla de Margarita

Meses Probabilidad % Velocidad Promedio Mensual

(m/s) 1 70 7 2 75 7 3 85 8 4 87 8 5 83 7 6 84 7 7 67 6 8 65 6 9 63 6 10 62 6 11 69 6 12 72 7

Velocidad promedio anual 6.75

La data presente en la tabla 4.2 se basa en observaciones tomadas entre

noviembre del 2000 y abril de 2007 desde las 7 a.m. a 7 p.m. en tiempo local

Se puede decir que la velocidad de diseo de la turbina debera estar cerca de los

valores promedio del lugar donde se espera ubicar pero debido a las consideraciones

variab