INFORME DE TRABAJO dE INVESTIGACIN EN WINDAID

INFORME DE TRABAJO dE INVESTIGACIN EN WINDAID

ContenidoI.GENERALIDADES31.Introduccin32.Objetivos4II.BREVE MARCO TERICO4AERODINMICA4Fundamentos de aerodinmica4Lneas de corriente, trayectorias y flujos4Perfil alar, sus partes, ngulo de ataque y otros conceptos del ala5Capa lmite7Fuerzas Aerodinmicas8Nomenclatura de los perfiles NACA10TURBINAS ELICAS10TIPOS10Rotores de eje vertical11Rotores de eje horizontal11III.RECOPILACIN DE INFORMACIN111.Descripcin de partes y/o componentes.112.Procesos de construccin de componentes13Construccin del alabe13Construccin del rotor17Construccin del estator173.Operacin y/o funcionamiento de la maquina20Esquematizacin204.Planos y esquemas de la mquina y componentes225.Fotografas25IV.INVESTIGACIN251.Reconocimiento de los perfiles alares en los aerogeneradores (ngulos de ataque utilizados.25a.Perfil aerodinmico NACA 441225ngulos de ataque Perfil aerodinmico NACA 441225b.Perfil aerodinmico NACA 441525ngulos de ataque Perfil aerodinmico NACA 4412262.Modelamiento de perfiles alares utilizados en distintas maquinas263.Encontrar el coeficientes de sustentacin y arrastre por mtodo DFC.274.Encontrar ngulo de ataque optimo para perfil utilizado (aprox) de presiones Mostrar distribucin de presiones para cada caso275.Encontrar la distribucin de presiones27.286.Comportamiento de la velocidad del aire en el perfil alar28V.CONCLUSIONES28VI.SUGERENCIAS O RECOMENDACIONES. ANEXOS.28VII.BIBLIOGRAFA30

Aerogenerador WINDAID 4.0

I. GENERALIDADES

1. Introduccin

Es conveniente explicar en un principio que es un aerogenerador.Sabido es que desde muy antiguo el hombre ha aprovechado la energa del viento, "energa elica" que est ahora muy de moda. Esta energa se ha aprovechado para muy diversas aplicaciones: para molinos de cereales, mover barcos, sacar agua de pozos, aventar el grano y ms modernamente para la produccin de energa elctrica. Esta ltima aplicacin es particularmente til pues la generacin de electricidad se hace a veces muy necesaria en lugares donde no llega la electricidad distribuida por las compaas elctricas. Adems es interesante poseer electricidad sin tener que pagar facturas a nadie por ello, -al menos mientras el uso del aire sea gratis- que no sabemos hasta cuando lo ser, o que haya que pedir permiso para usarlo como es el uso del espacio radio-elctrico o de las aguas pblicas.

A lo largo de esta pgina trato de explicar el proceso de construccin de un aerogenerador de tipo artesanal que, aunque no es de un gran rendimiento, sirve para cargar una batera la cual da alumbrado a una pequea instalacin rural. Ha sido una experiencia enriquecedora experimentar con las energas renovables adems de los buenos ratos que he pasado construyendo este ejemplar que se puede observar en las fotos.

En su construccin he empleado materiales que generalmente se desechan y que se pueden reutilizar para algunas cosas: algunos imanes de forma toroidal de altavoces viejos de mediano tamao, la horquilla delantera de una bicicleta de montaa, chapas magnticas de transformadores de alta tensin desguazados y una torre de tipo celosa de una lnea de media tensin de unos 8 m de alto. Adems he tenido que adquirir otros materiales nuevos que se irn comentando en las distintas fases del proyecto.

2. Objetivos

Ir a windaid y realizar un aerogenerador con los materiales e indicaciones respectivas del personal responsable (una vez por semana) Averiguar perfil alar del general aerodinmico utilizado en el aerogenerador Tener conocimiento de los ngulos de ataque Mostrar la distribucin de presiones de un alabe del generador as como tambin el comportamiento del aire sobre l. Conocer cul es el mecanismo y que materiales se usara para este generador

II. BREVE MARCO TERICO

AERODINMICA

Se sabe que la finalidad para la que se disean y fabrican las alas de un avin es para elevarlo del suelo. Sin embargo, en la competicin automovilstica lo que se pretende es el efecto contrario, que el monoplaza se agarre lo mximo al asfalto para que el piloto lo tenga totalmente controlado. Estos son dos efectos opuestos, pero tienen un denominador comn: la aerodinmica.

Dado que el concepto aerodinmica hay que tenerlo muy claro para el desarrollo y entendimiento de este trabajo, se explicarn a lo largo de este captulo los fundamentos que la componen.

Fundamentos de aerodinmica As pues, se define aerodinmica como aquella ciencia cuyo estudio se basa en el movimiento de un fluido y los efectos que ste produce sobre los cuerpos que estn inmersos en l. A pesar de que se entiende como fluido cualquier materia en estado lquido o gaseoso, aqu nos centraremos nica y exclusivamente en el estado gaseoso, ms concretamente, en el aire.

Por tanto, un cuerpo que se halle en el aire padecer, bajo ciertas circunstancias, unos efectos de mucho inters que dependern, entre otras cosas, de su geometra.

Lneas de corriente, trayectorias y flujos Se conocen como lneas de corriente aquellas lneas imaginarias que muestran el camino recorrido por las partculas de fluido y que adems cada punto de dicha lnea es tangente a su respectivo vector velocidad.

Fig. Lneas de corriente de un fluido

Asimismo, se dice que est en regimen estacionario cuando las condiciones externas a las que est sometido el flujo (velocidad, presin, densidad) no cambian a lo largo del transcurso del tiempo. Si lo hiciera, el rgimen se conoce como transitorio.

Este concepto es importante tenerlo presente cuando llevemos a cabo las simulaciones, pues el flujo ser siempre estacionario en el presente estudio Perfil alar, sus partes, ngulo de ataque y otros conceptos del ala Se entiende como perfil alar la geometra (superficie 2D) de la seccin transversal de un ala. No obstante, a lo largo de un ala podemos encontrar diferentes perfiles alares, pues cada seccin transversal no tiene porque ser la misma.

Tanto la forma como la inclinacin del perfil de una ala respecto a la direccin de la corriente del fluido son de gran importancia en la distribucin de las presiones alrededor del cuerpo, ya que son las que dan origen a la sustentacin del mismo.

Seguidamente, se definen algunos conceptos bsicos en cuanto a la terminologa de las diferentes partes que componen un perfil alar:

Extrads: parte superior del perfil (cara de succin).

Intrads: parte inferior del perfil (cara de presin).

Borde de ataque: es el lugar del perfil que primero contactar con el fluido. Es tambin el que distribuir la corriente, separndola en extrads e intrads.

Borde de salida: es el lugar del perfil por donde sale el aire, y desde el que la corriente debera de volver a juntarse. Cuerda c: es la lnea recta que une el borde de ataque y el borde de salida. Espesor h: es el grosor del perfil en un punto, es decir, la distancia entre el extrads y el intrads.

Anchura b: es la distancia perpendicular al perfil.

Perfil asimtrico: es el perfil en el que el extrads es diferente al intrads.

Perfil simtrico: es el perfil en el que el extrads y el intrads son iguales. ngulo de ataque: es el ngulo que existe entre la cuerda del perfil y la direccin de la corriente de aire.

CP: coeficiente de presin.

CL y CD: coeficientes de sustentacin (lift) y de arrastre (drag), caractersticos de un perfil para unas condiciones dadas.

Fig. Perfil Alar y sus partes

Asimismo el ngulo de ataque de un perfil alar no es ms que el ngulo formado por la cuerda del perfil y la direccin de corriente libre del aire. Este ngulo puede ser positivo, neutro o negativo.

Fig. ngulo de ataque positivo

Dependiendo del ngulo de ataque que adopte el alern, obtendremos ms o menos sustentacin. Como norma, cuanto ms ngulo de ataque ms sustentacin, pero teniendo en cuenta que hay un ngulo de ataque mximo alcanzable. Pasado este ngulo la capa de aire se desprende y el perfil entra en prdida, por consiguiente, ste deja de dar sustentacin

Coeficiente de sustentacin en funcin del ngulo de ataque

Capa lmite Cuando el aire se desplaza a lo largo del alern, ste tiende a adherirse a la superficie del perfil. Esto ocurre debido a que el aire es un fluido viscoso, por lo tanto, la capa del aire que est en contacto con el ala se adhiere totalmente y su velocidad es nula respeto al ala. Mientras que a medida que nos separamos del perfil hay una zona en que las capas contiguas van incrementando su velocidad hasta alcanzar la velocidad de la corriente de aire libre. Esta zona, donde la velocidad del aire va alcanzando la del aire libre, se conoce como capa lmite.

Fig. Capa lmite

Asimismo, el flujo de aire puede ser laminar o turbulento. Ser laminar cuando el movimiento del aire se realiza en forma de capas de velocidad paralelas y uniformes, mientras que se dice que es turbulento cuando estas capas se entremezclan y no siguen un orden homogneo.

Cuando el ngulo de ataque de un perfil vaya aumentando, la capa lmite tendr problemas para adherirse al perfil y llegar a entrar en prdida, que es cuando el flujo pasa a ser de laminar a turbulento. Pero esto no ocurre de manera inmediata sino que hay una zona de transicin

Fig. Capa lmite laminar y turbulenta

Fuerzas AerodinmicasSobre un perfil alar actan una serie de fuerzas, favorables unas y desfavorables otras, siendo una tarea primordial ejercer control sobre ellas para mantener el objeto en el posicionamiento deseado. El origen de dichas fuerzas son las presiones y las tensiones que actan a lo largo de la superficie.

En el diseo todo perfil aerodinmico sustentador se pretende maximizar las presiones. La representacin de las presiones se suele llevar a cabo mediante el coeficiente de presiones (CP).

El coeficiente de presin, es por tanto un nmero adimensional que describe la presin relativa a travs de un campo de flujo. Se calcula siguiendo la siguiente frmula

Dnde:

P: presin en el punto x obtenida mediante Ansys (es diferente para cada valor de x). Pref: Presin de referencia (no cambia en funcin de x, es caracterstica de cada ). : es la densidad del agua a 16 C (999,03 kg/m3). v: es la velocidad del fluido (15 m/s).

As pues, cuando tenemos un fluido que pasa a travs de un ala, las partculas de fluido se ven obligadas estrecharse en la parte superior del perfil (extrads), mientras que las partculas que viajan por la parte inferior del perfil (intrads) tienden a ensancharse. Esto conlleva a que en el extrads la velocidad aumente y la presin disminuya. Por el contrario, en el intrads, la velocidad disminuye y la presin aumenta. Esas dos presiones que aparecen sobre el ala crean una fuerza en el sentido positivo (opuesto al de la gravedad) ya que la las partculas que pasan por debajo empujan hacia arriba el ala, y las partculas que pasan por encima succionan el ala tambin hacia arriba.

El paso de una corriente a travs de un perfil, alar en nuestro caso, produce una fuerza llamada fuerza aerodinmica, que se obtiene a partir de la composicin de dos fuerzas ya mencionadas anteriormente: Sustentacin (Lift) y Resistencia al avance (Drag).

La sustentacin es la componente que resulta perpendicular a la corriente libre de fluido. Se formula mediante la siguiente ecuacin:

Sustentacin (Lift): Fuerza generada en direccin perpendicular a la velocidad del corriente incidente.

Dnde, es la densidad en kg/m3, v es la velocidad en m/s, A es la seccin en m2 y CL es el coeficiente de sustentacin

El CL (coeficiente de sustentacin) es un parmetro adimensional que relaciona la FL (Fuerza de sustentacin) con la densidad y la velocidad caracterstica del fluido que pasapor una determinada seccin. Se calcula mediante la siguiente frmula:

Siendo:

FL: Fuerza de sustentacin. : Densidad del fluido v: Velocidad del fluido A: Seccin. A = bc, dnde b es la anchura del perfil alar y c es la longitud de la cuerda.

La resistencia al avance, D, es la componente que resulta paralela a la direccin del fluido. Se formula mediante la siguiente ecuacin:

Resistencia al avance (Drag): Fuerza que se opone al avance de un cuerpo

a travs del fluido en particular. La resistencia es siempre de sentido opuesto al de la velocidad y de igual direccin. En el caso en que el fluido es agua se le denomina resistencia hidrodinmica

Siendo:

FD: Fuerza de resistencia al avance. : Densidad del fluido v: Velocidad del fluido A: Seccin. A = bc, dnde b es la anchura del perfil alar y c es la longitud de la cuerda.

Dnde, es la densidad en kg/m3, v es la velocidad en m/s, A es la seccin en m2 y CD es el coeficiente de sustentacin.

Fig. Fuerzas aerodinmicas

Nomenclatura de los perfiles NACA

Hasta hace muy poco tiempo, la investigacin y desarrollo de perfiles alares se daba de forma totalmente emprica. Se tena claro desde un principio que en un perfil alar lo ms recomendable era tener un borde de ataque redondeado y uno de salida fino. El gran incremento en cuanto a la demanda de secciones lo ms perfectas posibles en el sector aeronutico y la carencia de una teora general propiciaron la aparicin de los perfiles NACA.

Los perfiles NACA fueron creados por la NACA (National Advisory Comittee for Aeronautics), NASA en la actualidad. Resultaron de una serie de experimentos realizados con el fin de encontrar distintos tipos de perfiles para dar con el modelo ms adecuado y eficiente. De este modo, los perfiles NACA pretendan ser una normalizacin, regulacin y estandarizacin para clasificar los distintos perfiles de los estudios realizados.

As pues, se estableci una nomenclatura especial que permitiera poder diferenciar unos perfiles de otros y que adems de su propio nombre se pudieran deducir las caractersticas geomtricas tpicas de cada perfil

TURBINAS ELICAS

Unaturbina elicaoturbina de vientoes unaturbinaaccionada por laenerga elica. Se trata de unaturbomquinamotora que intercambiacantidad de movimientocon elviento, haciendo girar unrotor. Laenerga mecnicadel eje del rotor puede ser aprovechada para diversas aplicaciones como moler, en el caso de losmolinos de viento; bombear agua, en el caso de lasaerobombas; o para lageneracin de energa elctrica, en losaerogeneradores.

TIPOS Una primera clasificacin de las turbinas elicas se puede realizar atendiendo al tipo de rotor elico y la disposicin de su eje de giro. As las turbinas se clasifican en turbinas con rotor de eje vertical y turbinas con rotor de eje horizontal.

Rotores de eje verticalLas turbinas con rotores de eje vertical tienen la ventaja fundamental de que no precisan ningn sistema de orientacin activo para captar la energa contenida en el viento. Presentan la ventaja aadida, con respecto a las turbinas de eje horizontal, de disponer el tren de potencia, el generador elctrico y los sistemas de control a nivel de suelo. Los diseos ms conocidos de eje vertical son los rotores tipo Darrieus y los rotores tipo Savonious.

Rotores de eje horizontalLos rotores de eje horizontal se caracterizan porque girar sus palas en direccin perpendicular a la velocidad del viento incidente. La velocidad de giro de las turbinas de eje horizontal sigue una relacin inversa al nmero de sus palas, o de forma ms precisa al parmetro denominado solidez que indica el cociente entre la superficie ocupada por las palas y la superficie barrida por ellas. As, las turbinas de eje horizontal se clasifican en turbinas de rotor multipala o aeroturbinas lentas y rotor tipo hlice o aeroturbinas rpidas. Las caractersticas bsicas y aplicaciones de los dos tipos de turbinas se indican a continuacin. (objeto de estudio)

III. RECOPILACIN DE INFORMACIN

1. Descripcin de partes y/o componentes.

1. Estator Compuesta por resina y dentro lleva las bobinas, hechas de cable de cobre nmero 14, parte fija que va articulada en la estructura metlica.

2. Varilla roscada Servir de esqueleto para el alaba hecho inicialmente de espuma y fibra de vidrio.

3. Disco rotorCompuesta por resina y dentro lleva los imanes de diodimio, extremadamente fuertes

4. Disco cabezal

5. Bocamasa (rodaje)

6. Tuerca Sirven de sujecin entre piezas

7. Perno Sirven de sujecin entre piezas

8. Alabe NACA 4412 tsr6 2mPieza que aprovecha le energa mecnica del viento para as transformarla en energa elctrica

9. PlatinaEs aquella pieza que va a fijar el alabe al rotor.

10. Imn De diodimio de 14 kg fuerza por cada imn.

11. Estructura metlicaSoporte de aerogenerador en s.

12. Estructura colaSirve como gua de viento

2. Procesos de construccin de componentes

Construccin del alabe

a. Se procede a hacer agujeros con el taladro, a una plaquita de hierro, donde se soldaran dos varillas, de tal manera que este servir como esqueleto al alabe de que se requiere construir.

b. Se fabrica un ncleo de espuma de ploruletano y fibra de vidrio (que le da rigidez al alabe), que luego dar paso a nuestro alabe.

c. Se lija el alabe, dejando un poco spero para que prximamente pegue la resina, eliminando tambin excesos.

d. Se procede a forrar toda el alabe con la fibra de carbono, proporcionndole as mayor flexibilidad y por ende resistente a tensiones y/o esfuerzos.

e. Seguidamente se pasa al molde de resina, donde es asegurada fuertemente (previamente el molde ha sido preparado ya sea limpiado o encerado)

f. Una vez que el alabe est dentro del molde, paso siguiente se inyecta con resina (respectivamente prepara) con la ayuda de una bomba de vaco para as no dejar burbujas en su interior.

g. Lijar nuevamente el alabe, para luego masillarla tapando as tapar huecos e imperfecciones, para luego volverla a lijar obteniendo as mejor acabado.

h. Finalmente se procese al pintado (blanco) y secado del alabe

Construccin del rotor

a. Se colocan los imanes en un molde, previamente preparado, luego se hace un vaciado de resina, asegurando el molde para as dejar secar. Se procede al masillado y lijado para finalmente hacer el proceso de pintado y secado.

ROTOR

Construccin del estatora. Se hacen las bobinas de cable de cobre nmero 14 de forma manual en un molde, antes previo calculo (el nmero de vueltas como la conexin adecuada entre bobinas).

b. luego hacer el vaciado de resina (preparada previamente) en el molde donde irn las bobinas.

c. se procede a colocar las bobinas en lo hecho anteriormente.

d. ser le cubre con fibra de vidrio, para en seguida recubrirlo con resina.

e. Luego es asegurada completamente en su molde respectivo para as dejar secar.

f. Luego es masillado, y lijado para as tapar imperfeccione y tener un mejor acabado.

g. De forma seguida se procede al pintado y secado.Estator

3. Operacin y/o funcionamiento de la maquina

Un generador elico o aerogenerador, es bsicamente un gigantesco molino de viento conectado a un generador elctrico que aprovecha la fuerza del viento para mover las aspas del molino y producir energa.

La mayor caudal de viento mayor cantidad de giros har la hlice del aerogenerador, produciendo ms energa. Los aerogeneradores generalmente van conectados al sistema de interconexin elctrica, de tal manera que se disponga de la energa generada inmediatamente se produce.

La energa producida por los aerogeneradores es completamente limpia, no produce ningn tipo de contaminacin ni residuos, por lo que se considera uno de los sistemas de generacin de energa ms limpios que existen actualmente. Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o conectados entre s formando un parque elico.

Esquematizacin

4. Planos y esquemas de la mquina y componentesAngulo Base

Platina de sujecin la cual une el anclaje cimentado con la torre del aerogenerador a travs de 6 tuercas.

Base Poste

Esta es la base en forma de codo de 90 la cual une la torre del aerogenerador con el tubo que cumple la funcin de palanca (Gin Pole) la cual facilita el izado de la torre.

Gin Pole

Tubo redondo seccionado en 2 partes para facilitar la posicin en su uso de brazo palanca.

Torre

La torre tubular es la ms utilizada debido a su simplicidad, facilidad de fabricacin y bajo coste. Este tipo de torres permite incrementar su altura en un momento dado aadiendo ms tramos de tubo y cambiando la distribucin de los tensores.Consta de 3 piezas de tubo redondo de 3.5 metros c/u, en el cual van soldados 4 anillos dispuestos para sujetar los cables templadores.

Cuerpo

Es la parte ms compleja del sistema pues aqu se encuentra el Generador y los alabes. Trabaja con un Generador de flujo axial con imanes permanentes de alto campo magntico (neodimio), sellados en el rotor, y rollos de alambre de cobre en el estator.

Utiliza 3 alabes de fibra de carbono/vidrio con estructura interna de acero, tienen una longitud de 2 metros c/u, que van sujetos firmemente en el rotor del generador a travs de pernos y tuercas.

Todo el sistema esta previamente balanceado-diseado para alcanzar la mxima eficiencia en la relacin velocidad de viento y potencia generada.

Cola de orientacin

La funcin del timn de orientacin es la de mantener el rotor alineado al viento en todo momento. En un excesivo viento y para cuidar el generador, la cola cumple la funcin de freno, desorientndolo del viento hasta que este regrese a una velocidad segura para el sistema.

Precauciones

No manipule el aerogenerador ni el cuadro de control en das de viento. No deje el generador funcionando libremente (sin conectar a las bateras), podra daar el sistema de carga. En caso de que sea necesario desconectarlo de las bateras, frnelo. No manipule las resistencias del controlador. No invierta la polaridad. Utilice el cableado adecuado.

5. Fotografas

IV. INVESTIGACIN1. Reconocimiento de los perfiles alares en los aerogeneradores (ngulos de ataque utilizados.Segn la informacin obtenida son los siguientes perfiles a. Perfil aerodinmico NACA 4412

ngulos de ataque Perfil aerodinmico NACA 4412= 4 = 5.75

b. Perfil aerodinmico NACA 4415

ngulos de ataque Perfil aerodinmico NACA 4412= 4 = 5.31

2. Modelamiento de perfiles alares utilizados en distintas maquinas

3. Encontrar el coeficientes de sustentacin y arrastre por mtodo DFC.

4. Encontrar ngulo de ataque optimo para perfil utilizado (aprox) de presiones Mostrar distribucin de presiones para cada caso

5. Encontrar la distribucin de presiones

.6. Comportamiento de la velocidad del aire en el perfil alar

V. CONCLUSIONES

De la distribucin de presiones en la simulacin en solidworks, podemos observar que la presin es constante en todo el perfil alar. Se puede apreciar para que el ngulo de ataque se optimo la fuerza de sustentacin tendra que ser mnima

VI. SUGERENCIAS O RECOMENDACIONES. ANEXOS.

VII. BIBLIOGRAFA

http://www.uclm.es/profesoradO/ajbarbero/FAA/EEOLICA_Febrero2012_G9.pdf

http://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/10893/1455/1/V.14No.2-p.23-30.pdf

http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/8015/PFC_JoseFelix_Funes_Ruiz.pdf?sequence=2

https://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/2763/1/40843-1.pdf

https://produccion-energia.wikispaces.com/08.+LA+ENERG%C3%8DA+DEL+VIENTO

http://www.uv.es/~navasqui/OtrosAerogeneradores/Aerogenferr.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=WsWFHSWx3M4

https://www.youtube.com/watch?v=WXDzfWPRtkI

http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=naca4412-il

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ING. MECNICAPgina 3