AEROGENERADORES

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJOFACULTAD DE INGENIERIAESCUELA DE INGENIERIA MECANICACurso: MAQUINAS HIDRAULICAS.TURBINAS EOLICAS

Aprovechamiento del recurso Elico

Puerto Chicama Trujillo- PerPuedo usar energa elica para generar electricidad en mi hogar o establecimiento?Esta pregunta es cada vez ms frecuente, especialmente entre las personas que buscan fuentes de energa limpia, accesible y confiable.GasNatural2%Derivados del petrleo 46%Hidrulica22%Leaycarbnvegetal15%Residuosdebiomasa15

Por qu debera elegir la Energa Elica?Una turbina elica puede reducir sensiblemente su factura de energa elctrica y a la vez, contribuir que la matriz energtica del pas sea ms limpia y sustentable. Si adems de conectar su equipo a la red, usted instala un banco de bateras con una configuracin elctrica adecuada, el sistema puede prevenir interrupciones de suministro de energa elctrica.

Recurso Elico en La Libertad

Introduccin:Una turbina elica es un dispositivo mecnico que convierte la energa del viento en energa mecnica. Se disean para convertir la energa del movimiento del viento (energa cintica) en la energa mecnica, movimiento de un eje. Pueden usarse como aerobombas, para sistemas de bombeo o aerogeneradores, donde sta energa mecnica se convierte en electricidad.Introduccin:En este caso, la energa elica, en realidad la energa cintica del aire en movimiento, mueve la hlice y, a travs de una transmisin, hace girar el rotor de un generador (alternador trifsico), que convierte la energa mecnica rotacional en energa elctrica.

Introduccin:La energa generada por la turbina es proporcional a la velocidad del viento al cuadrado. La energa disponible es directamente proporcional al rea barrida de las paletas, proporcional al cuadrado de la longitud de las paletas. Se tiene una eficiencia terica mxima de las turbinas elicas del 59%.

Energa elica

Es la energa del viento, es una fuente de energa renovable, y es alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energa proveniente del sol.La capa de la atmsfera en la que tienen lugar los vientos y en donde ocurren todos los fenmenos metereolgicos es la tropsfera, que se extiende hasta los 11 Km de altitud.Clasificacin de los vientos:Vientos geostrficos: A 1 Km de altitud, son poco influenciados por la superficie terrestre.Vientos de superficie: A 100 m de altitud, tienen influencia de la rugosidad del terreno y obstculos.Vientos locales: Propios de una zona determinada como los producidos por la brisa marina, los vientos de montaa.Velocidad del Viento:Influye grandemente en la velocidad del viento la forma del relieve de la superficie de la tierra por donde discurre la corriente. Superficies de pendientes suaves y desnudas de obstculos son los mejores lugares de potencial elico, puesto que se van juntando las lneas de corriente del fluido y hacen que su velocidad aumente.

Medicin del vientoPara determinar cuales son las posibilidades de energa elica, uno necesita tener datos de la velocidad del viento. Lo mejor es hacer mediciones en el lugar donde se llevar a cabo el proyecto. Sin embargo, a veces esto no es posible: alguien debe ir hasta all a colocar equipos de medicin costosos y por lo menos deben registrarse datos durante unos cuantos meses

Medicin del vientoPor lo tanto, en la mayora de los casos, la primera opcin es obtener datos de una estacin meteorolgica, los aeropuertos tambin suelen ser una alternativa. Las mediciones de las velocidades del viento se realizan normalmente usando un anemmetro, similar al de las figuras.

Densidad del aireLa energa cintica del viento depende de la densidad del aire, es decir, de su masa por unidad de volumen. En otras palabras, cuanto "ms pesado sea el aire ms energa recibir la turbina.La densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad.A grandes altitudes (en las montaas) la presin del aire es ms baja y el aire es menos denso.Rugosidad del terrenoHasta una altitud de 100 m de la tierra, las velocidades del viento se ven afectadas por la friccin con la superficie terrestre, esto quiere decir que el viento baja de velocidad y es consecuencia de la rugosidad del terreno. Cuanto ms pronunciada sea la rugosidad del terreno, mayor ser el efecto de disminucin de velocidad (conocido como ralentizacin) que experimente el viento.Los obstculos disminuirn la velocidad del viento corriente abajo (osea una vez que el viento atraves el obstculo). Esta disminucin depende de la porosidad del obstculo, es decir, de cmo de "abierto" sea el obstculo. Obstculos al vientoEn funcin de la altura del obstculo, el viento en el aerogenerador reduce un porcentaje que depende de que tan alejado horizontalmente este el aerogenerador del obstculo y tambin de que tan alta sea la torre del aerogenerador. Los obstculos se consideran en un sector de 30-45 frente al aerogenerador, desde donde viene el viento en su direccin predominante.

TIPOS DE TURBINAS EOLICASSegn la posicin del eje de rotacin con respecto a la direccin del viento:Turbinas de eje horizontal: El eje de rotacin es paralelo a la direccin del vientoTurbinas de eje vertical: El eje de rotacin es perpendicular a la superficie terrestre y a la direccin del viento

Turbinas de eje horizontal

Turbinas de eje horizontal

Turbinas de eje horizontal

Turbinas de eje vertical

Turbinas de eje vertical

Turbinas de eje vertical

Turbinas de eje vertical: Darrieux

Rendimiento mximo de Turbinas elicas

Comparacin de turbinas

Comparacin de turbinas

Descripcin de componentes:

Componentes:

Componentes:La gndola Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador elctrico. El personal de servicio puede entrar en la gndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la gndola tenemos el rotor del aerogenerador.

Las palas del rotor Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno cada pala es de longitud grande y su diseo es muy parecido al del ala de un avin. Componentes:El buje El buje del rotor es un acoplamiento que est acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.

El eje de baja velocidad Conecta el buje del rotor al multiplicador. El rotor gira muy lento, por lo que es necesario aumentar su velocidad. El eje contiene conductos del sistema hidrulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinmicos.

Componentes:El multiplicador Tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que est a su derecha gire 50 veces ms rpido que el eje de baja velocidad. El eje de alta velocidad Gira a alta velocidad, lo que permite el funcionamiento del generador elctrico. Est equipado con un freno de disco mecnico de emergencia. El freno mecnico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinmico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.

Componentes:El generador elctrico Suele ser un generador asncrono o de induccin. En los aerogeneradores modernos la potencia mxima suele estar entre 500 y 1.500 Kw. El controlador electrnico Es un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y controla el mecanismo de orientacin. En caso de cualquier disfuncin (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el generador), automticamente para el aerogenerador y llama al ordenador del operario encargado de la turbina a travs de un enlace telefnico mediante modem. Componentes:El mecanismo de orientacin Est activado por el controlador electrnico, que vigila la direccin del viento utilizando la veleta. El anemmetro y la veletaLas seales electrnicas de anemmetro son utilizadas por el controlador electrnico del aerogenerador para conectarlo cuando el viento alcanza aproximadamente 5 m/s. El ordenador parar el aerogenerador automticamente si la velocidad del viento excede de 25 m/s, con el fin de proteger a la turbina y sus alrededores. Las seales de la veleta son utilizadas por el controlador electrnico para girar el aerogenerador en contra del viento, utilizando el mecanismo de orientacin. Componentes:La unidad de refrigeracin Contiene un ventilador elctrico utilizado para enfriar el generador elctrico. Adems contiene una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua. La torre Soporta la gndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Las torres tubulares son ms seguras para el personal de mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera interior para acceder a la parte superior de la turbina, pero no son muy baratas.TORRELa torre eleva el montaje de las turbinas sobre las corrientes de aire turbulentas cerca de la tierra y permite capturar un viento de mayor velocidad. El diseo de torre es particularmente crtico, pues deben ser tan altas como sea econmicamente posible (generalmente entre 40 y 100 metros), tambin deben ser robustas, permitir el acceso a la turbina para su mantenimiento.

Un aspecto particularmente importante del diseo de torres es la eliminacin de la resonancia entre la gama de frecuencias de las paletas que rotan y la frecuencia de resonancia de la torre.

TorreLa torre del aerogenerador soporta la gndola y el rotor. Su funcin es llevar al rotor a una altura donde haya viento suficiente, es decir por encima de los obstculos cercanos. Es el componente a travs del cual se puede llegar a la gndola para realizar labores de mantenimiento, empleando una escalera externa en los sistemas de pequea potencia o una escalera interna en los sistemas de mediana y gran potencia.

CLASIFICACINTORRES TUBULARES DE ACERO La mayora de los grandes aerogeneradores se entregan con torres tubulares de acero, fabricadas en secciones de 20-30 metros con bridas en cada uno de los extremos, y son unidas con pernos. Las torres son tronco-cnicas con el fin de aumentar su resistencia y al mismo tiempo ahorrar material.

Torres tubulares:

CLASIFICACINTORRES DE CELOSA Son fabricadas utilizando perfiles de acero soldados. La ventaja bsica de estas torres es su costo, puesto que una torre de celosa requiere slo la mitad de material que una torre tubular sin sustentacin adicional con la misma rigidez. La principal desventaja de este tipo de torres es su apariencia visual (aunque esa cuestin es claramente debatible). En cualquier caso, por razones estticas, las torres de celosa han desaparecido prcticamente en los grandes aerogeneradores modernos.

CLASIFICACINTORRES DE MSTIL TENSADO CON VIENTOS Estn construidos con delgadas torres de mstil sostenidas por cables tensores.La ventaja es el ahorro de peso y de costo. Las desventajas son el difcil acceso a las zonas alrededor de la torre, lo que las hace menos apropiadas para zonas agrcolas.

CLASIFICACINSOLUCIONES DE TORRES HBRIDAS Algunas torres estn hechas con diferentes combinaciones de las ya mencionadas. Un ejemplo es la torre de tres patas Bonus 95 kW de la fotografa, de la que podra decirse que es un hbrido entre una torre de celosa y una torre tensada con vientos.

FACTORES DE EMPLAZAMIENTOLOCALIZACIN:

Los vientos turbulentos ejercen mayores tensiones sobre el rotor y se elevan, reduciendo vida de la turbina. As, la mayora estn ubicadas en localizaciones rurales, lejos de edificios, de rboles y de otros obstculos.

Mientras que las caractersticas tcnicas del viento en una localizacin especfica son muy importantes, la localizacin alejada de la red de distribucin elctrica puede llegar a ser poco rentable, pues se requerirn nuevas lneas de transmisin para conectar el aerogenerador con la red. La infraestructura de transmisin existente puede llegar a necesitar una ampliacin para poder manejar la fuente de energa adicional.

Tambin tenemos el efecto colina y las pendientes pronunciadas las cuales no determinan donde debemos ubicar nuestro aerogenerador para obtener una mayor potencia.ALTURA:

La altura de la torre afecta la cantidad de potencia que se puede obtener del viento as como las tensiones sobre el rotor.

El viento se mueve ms lentamente cuanto ms baja sea la altura, con la mxima reduccin de velocidad del viento situada muy cerca de la superficie. .

Este fenmeno, conocido como esquileo del viento, es un factor determinante al momento de tomar la decisin sobre la altura de la torre, puesto que con a mayor altura los rotores se exponen a vientos ms rpidos. Adems, las diferencias en la velocidad del viento entre la parte superior y la inferior del rotor disminuyen a mayores alturas, causando menor desgaste en la turbina.

CONSIDERACIONESTenemos que construir las torres de forma ptima posible ya que esta supone un 20% del costo total de la turbina.

Tenemos que tener en cuenta el cizallamiento del viento, conforme nos acercamos al nivel del suelo el perfil del viento se mueve hacia velocidades mas bajas.

ELECCIN ENTRE TORRES ALTAS Y BAJAS

Obtendremos ms potencia de una torre ms alta que de una baja.

44CIMENTACINLa cimentacin se cuela en hormign, pero primero se tiene que excavar un agujero muy grande en el suelo y se dispone de un enrejado de hierro para mantener el hormign en su sitio.

Alrededor de la cimentacin se coloca un cable de cobre sin aislamiento. Este es el conductor de puesta a tierra. En el caso de que caiga un rayo al aerogenerador la electricidad ser conducida mediante cables hacia abajo a travs de la torre y vertida a tierra. De esta maera no se le provocan daos al aerogenerador por causa del rayo.

CIMENTACINEl hormign llega en camiones y es conducido hasta el agujero a travs de una manguera. All los encargados se aseguran de que el hormign se disponga correctamente. En este caso uno de ellos sostiene la manguera, otro tiene un vibrador que compacta el hormign y el tercero asla la superficie. El hormign esta hecho de gavilla, arena, cemento y agua.

La parte inferior de la torre se cuela dentro del hormign y ahora todo est listo para colocar el resto de la torre encima.

CONDICIONES ELICAS MARINASA velocidad constantes la rugosidad del mar es baja esto tambin se debe a que las superficies obviamente son muy lisas.

Con velocidades de vientos crecientes la rugosidad es variable ya que una parte de la energa producida se emplea en formar olas.

Sin embargo, si generalizamos, puede considerarse que la rugosidad de la superficie del agua es muy baja y que los obstculos del viento son pocos.

Al realizar los clculos debern tenerse en cuenta islas, faros, etc. tal y como se tendran en cuenta los obstculos situados en la direccin de donde viene el viento o los cambios de rugosidad en la tierra.

CONDICIONES ELICAS MARINASBAJO CIZALLAMIENTO DEL VIENTO IMPLICA MENOR ALTURA DE BUJE

Con una baja rugosidad, el cizallamiento del viento en el mar es tambin muy bajo, lo que implica que la velocidad del viento no experimenta grandes cambios al variar la altura del buje del aerogenerador.

Puede resultar ms econmico utilizar torres ms bien bajas, de alrededor de 0,75 veces el dimetro del rotor, en aerogeneradores emplazados en el mar, dependiendo de las condiciones locales (normalmente, las torres de los aerogeneradores situados en tierra miden un dimetro de rotor, o incluso ms).

CONDICIONES ELICAS MARINASBAJA INTENSIDAD DE LAS TURBULENCIAS IMPLICA MAYOR TIEMPO DE VIDA DE LOS AEROGENERADORES

La baja turbulencia del mar se debe, ante todo, al hecho de que las diferencias de temperatura a diferentes altitudes de la atmsfera que hay sobre el mar son inferiores a las que hay sobre la tierra. La radiacin solar puede penetrar varios metros bajo el mar mientras que en tierra la radiacin solar slo calienta la capa superior del suelo, que llega a estar mucho ms caliente.

Consecuentemente, las diferencias de temperatura entre la superficie y el aire sern menores sobre el mar que sobre la tierra. Esto es lo que provoca que la turbulencia sea menor.

Seguridad:Riesgos Convencionales: Incendio, explosin, cada de rayo, cada de aviones, choque de vehculos e impactos.Riesgos opcionales: consecuencias de error de diseo, rotura de mquinas.

Aerogeneradores de eje vertical:En este caso el eje de giro est situado verticalmente y las palas giran alrededor de l en un plano horizontal.El viento, por tanto, hace fuerza por un lado sobre la parte delantera de las palas, dando velocidad, pero a la vez presiona sobre la parte trasera de otra pala, frenndola. El diseo crtico consiste en disear la estructura de la pala de modo que por delante sea capaz de captar el mayor viento posible y que simultneamente ofrezca la menor resistencia al viento por su parte posterior. Los dos diseos que han tenido ms xito son el rotor Savonius, diseado en 1929, y el rotor Darrieux.

Generador de eje vertical, consta de unas palas muy finas unidas al eje slo por los dos extremos (cada pala tiene forma de ala de avin simtrica) que adopta una curva especfica entre las dos uniones al eje, curva que ha sido diseada para obtener un mximo rendimiento.

Turbinas Darrieux:

La forma aerodinmica de las palas le permite mantener la velocidad de giro una vez alcanzada, pero el sistema es incapaz de arrancar por s solo, esto obliga a disponer un sistema secundario de arranque.

Turbinas Darrieux:

La menor superficie enfrentada al viento permite alcanzar mayores velocidades que las del rotor Savonius, aunque menores que las de un rotor de eje horizontal.La disposicin del rotor le permite captar el viento proveniente de cualquier direccin sin necesidad de dispositivo de orientacin, lo cual es una simplificacin de la maquinaria y un menor nmero de averas.

Turbinas Darrieux:

Son una de las turbinas ms simples. Aerodinmicamente, son dispositivos de arrastre o resistencia que constan de dos o tres palas. Mirando el rotor desde arriba, las palas forman la figura de una S. Debido a la curvatura, las palas experimentan menos resistencia cuando se mueven en contra del viento que a favor de l. Esta diferencia causa que la turbina gire.

Turbinas Savonius:

Como es un artefacto de arrastre, el rotor Savonius extrae mucho menos fuerza del viento que las turbinas de sustentacin con similar tamao. No necesitan orientarse en la direccin del viento.Soportan mejor las turbulencias y pueden empezar a girar con vientos de baja velocidad.

Investigacin Innovacin Desarrollo de Tecnologa

Anlisis de labes aerodinmicos NACA en tneles de humo Laboratorio de Mecnica de Fluidos y Maquinas Hidrulicas.Investigacin Innovacin Desarrollo de TecnologaAnlisis de labes aerodinmicos NACA y turbinas mediante mtodos numricos y software CAD CAE: Solidworks flow simulation, Ansys, Fluent.

Integracin en Ambiente SolidWorks:SimulationMotionAnlisis y simulacin del Diseo en IngenieraFlowsimulationCAMWorks 3 Axis MillingCAMWorks TurningPDMWorks

Generacin de electricidad

Turbinas Elica para bombeo

Prototipos de investigacin

Conclusiones:Las turbinas elicas han desarrollado significativamente, mejorando sus rendimientos, aumentando confiabilidad y reduciendo costos.Tanto a pequea potencia como los conectados a las grandes redes de distribucin elctrica, la energa elica surge como una alternativa competitiva.Los limitantes son el desconocimiento de esta realidad y la falta de incentivos para la realizacin de inversiones en este sector.

Gracias por su atencin