aerogenerador jovanny
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LERMA
Diseño de un Aerogenerador.
Maestro (a):
Colli Santos Jovanny
Elaborado por los C.
Cazán Tamay José Luis
Torres Ordoñez Julio
Noh Cervantes Fernando
Ehuan Villareal Felipe
Archivor Cervantes Marcos
Edriel Mex
Medina Flores
Ake Salinas Sergio
Estudiantes de la Carrera de:
Ingeniería Mecánica
Fecha de entrega:
18 DE DICIEMBRE DEL 2012
INTRODUCCIÓN.
Un aerogenerador es un dispositivo mecánico que convierte la energía del viento en electricidad. Sus precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtención de harina. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, mueve la hélice y, a través de un sistema mecánico de engranajes, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. Los aerogeneradores se agrupan en parques eólicos distanciados unos de otros, en función del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas.
Para aportar energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben de estar dotados de un sofisticado sistema de sincronización para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la frecuencia de la red, (en México 60 Hz).
En la práctica las turbinas eólicas se diseñan para trabajar dentro de ciertas velocidades de viento. La velocidad más baja, llamada velocidad de corte inferior que es generalmente de 4 a 5 m/s, pues por debajo de esta velocidad no hay suficiente energía como para superar las pérdidas del sistema.
La velocidad de corte superior es determinada por la capacidad de una máquina en particular de soportar fuertes vientos. La velocidad nominal es la velocidad del viento a la cual una máquina particular alcanza su máxima potencia nominal. Por arriba de esta velocidad, se puede contar con mecanismos que mantengan la potencia de salida en un valor constante con el aumento de la velocidad del viento.
Los elementos principales de cualquier turbina de viento son el rotor, una caja de engranajes, un generador, equipo de control y monitoreo de la torre.
NOMBRE DEL PROYECTO:
“Aerogenerador con energía eólica”
NATURALEZA, DESCRIPCIÓN Y JUSTIFICACIÓN PROYECTO
NATURALEZA.
Surge de la necesidad de implementar energías alternativas en el estado de Campeche.
DESCRPCIÓN.
El aerogenerador sirve para generar corriente eléctrica por medio de la energía eólica. Se pretende implementarlo en zonas rurales en las cuales aún no llega la corriente eléctrica, además de que se puede instalar en un parque eco turístico. Además de que su proceso es muy económico y deja un buen margen de ganancia.
JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo tiene como fin disminuir el gasto excesivo que genera en la actualidad la corriente eléctrica, por medio del uso de energía eólica. Debido a que la corriente eléctrica en lugares como zonas rurales y parques ecoturisticos generan costos excesivos e innecesarios y antes esta necesidad se planea implementar un aerogenerador, que tiene como objetivo resarcir el gasto económico para las familias de las zonas rurales y para los empresarios de los parques ecoturisticos.
MISIÓN
Satisfacer las necesidades de las poblaciones con falta de consumo de energía y ayudar a que no se contamine más al medio ambiente.
VISIÓN
Llegar hacer los fabricantes más reconocidos a nivel estatal, por la construcción de aerogeneradores de alta calidad y lograr ser distinguidos por nuestros diseños.
ANÁLISIS FODA
FORTALEZAS
Disminuir la contaminación del medio ambiente.
Beneficio económico, porque se disminuiría el consumo de energía eléctrica a la CFE.
Fácil instalación.
Sus componentes son económicos.
Económico a largo plazo.
OPORTUNIDADES.
En Campeche tiene muy altas oportunidades, porque no hay fabricantes de aerogeneradores.
Ahorro de energía.
Es ecológico.
Puede ser usado en zonas rurales.
DEBILIDADES.
Costoso a corto plazo.
Necesita de viento constante o regular en el punto de instalación.
Necesita mucha mano de obra.
Corrosión.
Es pesado y necesita ser instalado en un lugar firme.
Amenazas
Que otra empresa lo cotice más económico.
Que no se puede vender la corriente, sino solo el producto.
Problemas de registro del producto con la CFE.
PROBLEMA IDENTIFICADO:
Hoy en día en algunos lugares de nuestro país no cuentan con la energía eléctrica, en ranchos que aún están empezando alguna formación dentro del comercio de la agricultura o ganadería, y por este motivo se llevaría a cabo dicho proyecto para la solución del problema.
También se identificó que este proyecto puede funcionar para la comunidad dentro de la ciudad, pudiéndose colocar en los parques y así ser un proyecto eco turístico.
OBJETIVOS
Estar en la competencia del mercado
Aceptación de la gente.
Fácil instalación
No contamina.
OBJETIVOS ESTRATÉGICOS.
Reducir la contaminación al medio ambiente.
Evitar y reducir el pago excesivo de la corriente eléctrica.
Ayudar en las zonas rurales, a las que no llega la corriente eléctrica.
Poder llegar a un convenio de distribución con CFE.
Distribución en parques ecoturiticos.
USO DE TÉCNICA
Para solucionar el problema antes ya mencionado se realizara la fabricación de un aerogenerador que cubrirá la necesidad de dicho lugar sin contaminar con plantas eléctricas o tener un gasto cada mes, este proyecto está elaborado con a fin de mejorar y cuidar el planeta, fabricado con un generador de ventilador a una determinada altura.
APLICACIÓN PRÁCTICA
Deseamos instalarlo en el lugar requerido y ponerlo a prueba para saber el funcionamiento y solucionar el problema por el cual fue diseñado.
El aerogenerador se aplicó hasta en este momento en el instituto tecnológico de Lerma para su prueba y obtuvimos resultados positivos con algunos detalles, pero logrando el objetivo.
FUNDAMENTO TEORICO.
Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento (turbina eólica). Sus precedentes directos son los molinos de viento que se empleaban para la molienda y obtención de harina. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, proporciona energía mecánica a un rotor hélice que, a través de un sistema de transmisión mecánico, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica.
Existen diferentes tipos de aerogeneradores, dependiendo de su potencia, la disposición de su eje de rotación, el tipo de generador, etc.
Los aerogeneradores pueden trabajar de manera aislada o agrupados en parques eólicos o plantas de generación eólica, distanciados unos de otros, en función del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas.
Para aportar energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben estar dotados de un sistema de sincronización para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la frecuencia de la red.
Ya en la primera mitad del siglo XX, la generación de energía eléctrica con rotores eólicos fue bastante popular en casas aisladas situadas en zonas rurales.
En Europa se distingue claramente un modelo centro-europeo, donde los aerogeneradores llegan a ubicarse en pequeñas agrupaciones en las cercanías de las ciudades alemanas, danesas, neerlandesas, y un modelo español, donde los aerogeneradores forman agrupaciones (a veces de gran tamaño) en las zonas montañosas donde el viento es frecuente, normalmente alejadas de los núcleos de población.
La energía eólica se está volviendo más popular en la actualidad, al haber demostrado la viabilidad industrial, y nació como búsqueda de una diversificación en el abanico de generación eléctrica ante un crecimiento de la demanda y una situación geopolítica cada vez más complicada en el ámbito de los combustibles tradicionales.
Energía eólica.
La energía eólica es la energía que se puede lograr del movimiento que produce el viento al interaccionar con las palas de un aerogenerador. Esta energía, que sigue en proceso de desarrollo, nace como respuesta a una mayor demanda del consumo energético, la necesidad de garantizar la continuidad del suministro en zonas importadoras netas de recursos energéticos y de la búsqueda de la sostenibilidad en el uso de los recursos.
En general las mejores zonas de vientos se encuentran en la costa, debido a las corrientes térmicas entre el mar y la tierra; las grandes llanuras continentales, por razones parecidas; y las zonas montañosas, donde se producen efectos de aceleración local.
Aerogeneradores de eje horizontal.
Son aquellos en los que el eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al piso. Ésta es la tecnología que se ha impuesto, por su eficiencia y confiabilidad y la capacidad de adaptarse a diferentes potencias.
Las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal son:
Rotor: las palas del rotor, construidas principalmente con materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento torsional en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un diámetro de 42 a 80 metros y producir potencias equivalentes de varios MW. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por criterios acústicos.
Góndola o nacelle: sirve de alojamiento para los elementos mecánicos y eléctricos (multiplicadora, generador, armarios de control, ...) del aerogenerador.
Caja de engranajes o multiplicadora: puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico.
Generador: existen diferente tipos dependiendo del diseño del aerogenerador. Pueden ser síncronos o asíncronos, jaula de ardilla o doblemente alimentados, con excitación o con imanes permanentes. Lo podemos definir como parte del generador que convierte la energía en electricidad.
La torre: sitúa el generador a una mayor altura, donde los vientos son de mayor intensidad y para permitir el giro de las palas y transmite las cargas del equipo al suelo.
Sistema de control: se hace cargo del funcionamiento seguro y eficiente del equipo, controla la orientación de la góndola, la posición de las palas y la potencia total entregada por el equipo.
Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores o motor reductores.
Existen 2 tecnologías de generadores eléctricos: multi-polos y de imanes permanentes. Los primeros funcionan a velocidades del orden de 1000 rpm. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es baja (12 rpm), requieren el uso de una caja reductora o multiplicadora para conseguir una velocidad de rotación adecuada. Los de imanes permanentes no requieren multiplicadora.
En la mayoría de los casos la velocidad de giro del generador está relacionada con la frecuencia de la red eléctrica a la que se vierte la energía generada (50 o 60 Hz).
En general, las palas están emplazada de tal manera que el viento, en su dirección de flujo, la encuentre antes que a la torre (rotor a barlovento). Esto disminuye las cargas adicionales que genera la turbulencia de la torre en el caso en que el rotor se ubique detrás de la misma (rotor a sotavento). Las palas se montan a una distancia razonable de la torre y tienen alta rigidez, de tal manera que al rotar y vibrar naturalmente no choquen con la torre en caso de vientos
fuertes. El rotor suele estar inclinado 6º para evitar el impacto de las palas con la torre.
A pesar de la desventaja en el incremento de la turbulencia, se han construido aerogeneradores con hélices localizadas en la parte posterior de la torre, debido a que se orientan en contra del viento de manera natural, sin necesidad de usar un mecanismo de control. Sin embargo, la experiencia ha demostrado la necesidad de un sistema de orientación para la hélice que la ubique delante de la torre. Este tipo de montaje se justifica debido a la gran influencia que tiene la turbulencia en el desgaste de las aspas por fatiga. La mayoría de los aerogeneradores actuales son de este último modelo.
Control de potencia.
En general, los aerogeneradores modernos de eje horizontal se diseñan para trabajar con velocidades del viento que varían entre 3 y 25 m/s de promedio. La primera es la llamada velocidad de conexión y la segunda la velocidad de corte. Básicamente, el aerogenerador comienza produciendo energía eléctrica cuando la velocidad del viento supera la velocidad de conexión y, a medida que la velocidad del viento aumenta, la potencia generada es mayor, siguiendo la llamada curva de potencia.
Las aspas disponen de un sistema de control de forma que su ángulo de ataque varía en función de la velocidad del viento. Esto permite controlar la velocidad de rotación para conseguir una velocidad de rotación fija con distintas condiciones de viento.
Asimismo, es necesario un sistema de control de las velocidades de rotación para que, en caso de vientos excesivamente fuertes, que podrían poner en peligro la instalación, haga girar a las aspas de la hélice de tal forma que éstas presenten la mínima oposición al viento, con lo que la hélice se detendría.
Para aerogeneradores de gran potencia, algunos tipos de sistemas pasivos, utilizan características aerodinámicas de las aspas que hacen que aún en condiciones de vientos muy fuertes el rotor se detenga. Esto se debe a que él mismo entra en un régimen llamado "pérdida aerodinámica"
Impacto sobre el medio ambiente.
Este tipo de generadores se ha popularizado rápidamente al ser considerados una fuente limpia de energía renovable, ya que no requieren, para la producción de energía, una combustión que produzca residuos contaminantes o gases implicados en el efecto invernadero. Sin embargo, su uso no está exento de impacto ambiental. Su localización —frecuentemente lugares apartados de elevado valor ecológico, como las cumbres montañosas, que por no encontrarse habitadas conservan su riqueza paisajística y faunística— puede provocar efectos perniciosos, como el impacto visual en la línea del horizonte o el intenso ruido generado por las palas (además de los causados por las infraestructuras que es necesario construir para el transporte de la energía eléctrica hasta los puntos de consumo). Pese a que se investiga para minimizarlos, se siguen produciendo muertes de aves por su causa, además de que se ven afectadas las poblaciones de quirópteros. Más recientemente, se ha propuesto la posibilidad de que su uso generalizado podría incluso contribuir al calentamiento global al bloquear las corrientes de aire.
DISEÑO DEL AEROGENERADOR CASERO.
Se elaboró un aerogenerador eólico que tubo como función generar 12V, se necesitaron:
Un eje.
Usamos un freno de chicote.
36 imanes.
Utilizamos 216 metros de hilo de cobre esmaltado de 1,18mm.
Las bobinas se pueden realizar con cualquier bobinadora parecida a esta:
Nuestras bobinas llevaron aproximadamente 55 vueltas.
Molde para asentar los embobinados.
Así quedo el estator inducido desmoldado.
Posteriormente se procedería a montar los imanes sobre una superficie similar a la del estator, siempre norte-sur
Elaboración de las hélices del aerogenerador.
Las palas del aerogenerador pueden construirse de diferentes materiales. La manera más fácil y barata es construirlas de madera de pino. Para ello se toma un tablón de la longitud de pala deseada (por ejemplo 1.5 metros de longitud) y sección transversal rectangular de 15x5 cm. Con esta sección transversal se obtienen palas cuyo ángulo de ataque del viento es de alrededor de 18 grados. Para menor ángulo de ataque, el grosor del tablón debe ser menor de 5 cm.
Se realiza un corte por la diagonal de la sección rectangular, (ver dibujo adjunto, la línea de puntos representa el corte a realizar) y a lo largo de todo el tablón (es conveniente realizar los cortes con una sierra de cinta en algún taller de carpintería). Así se pueden obtener dos palas, y si se desea construir una tercera pala (en caso de un aerogenerador tripala) se deberá hacer lo mismo con otro tablón como el anterior. El trozo de madera que sobra se usará para reforzar la zona de anclaje de las palas a un disco de a madera o hierro, que a su vez se sujeta al eje de giro del aerogenerador. Las superficies obtenidas en este corte, son las caras de la pala donde incidirá el viento. En cada uno de los tres trozos que se obtienen del primer corte, se realizará otro corte a todo lo largo excepto, los últimos 13 cm. En el dibujo siguiente solo se muestra el perfil de las palas antes y después del segundo corte.
El aspecto que tendrá una de las palas por el momento, será:
El extremo de la pala también debe tener forma redondeada, para ofrecer menos resistencia al aire en su movimiento de rotación (es la parte de la pala que mas velocidad tangencial adquiere).
La parte posterior de la superficie de ataque debe tener forma redondeada, para ofrecer mínima resistencia al aire, por lo cual habrá que lijarla hasta darle forma.
Hay que pesar de vez en cuando las palas para conseguir que tengan el mismo peso y además la misma posición de sus centros de gravedad. Para saber la posición del centro de gravedad de una pala, se coloca basculando encima del borde de una lámina de algún material, como aluminio o hierro. Cuando la pala se mantiene horizontal, el centro de gravedad esta justo en la parte donde apoya sobre el borde de la lamina aluminio o hierro.
Potencia desarrollada por un aerogenerador.
La cantidad de energía transferida al rotor por el viento depende como hemos visto de la densidad del aire “d” del área de barrido del rotor "A" y de la velocidad del viento "v".
La energía cinética de una masa de aire "m" moviéndose a una velocidad "v" responde a la expresión:
E = 1/2 mv2
Si el volumen de aire que se mueve es "V" y tiene una densidad "d" su masa será; m = V . d, con lo que su energía cinéticaserá:
Ec = 1/2 dVv2
La cantidad de aire que llegará al rotor de un aerogenerador en un tiempo "t" dependerá de: el área de barrido del rotor "A" y de la velocidad del viento
El volumen del aire que llega al rotor será:
V = Avt
La energía cinética que aporta el aire al rotor en un tiempo "t" será:
Ec = 1/2 dAvtv2
Ec = 1/2 dAtv3
Y la potencia aportada al rotor será:
Ec = 1/2 dAv3
Como observamos la potencia del viento es proporcional al cubo de la velocidad del viento.
El gráfico muestra que con una velocidad del viento de 8 m/s obtenemos una potencia de 314 W por cada metro cuadrado expuesto al viento (viento incidente perpendicularmente al área barrida por el rotor).A 16 m/s obtendremos una potencia ocho veces mayor, 2.509 W/m2.
Cuando el aerogenerador se ralentiza el viento al pasar por el rotor, hasta un 2/3 de su velocidad inicial. Lo que significa que no se aprovecha toda la energía cinética que el viento aporta al rotor, existiendo una ley, llamada Ley de Benz que nos dice:
"Sólo puede convertirse menos de 16/27 (el 59%) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador".
Medidas de la velocidad del viento.
De acuerdo con lo anterior la velocidad del viento es un dato muy importante para el diseño de un aerogenerador, ahora bien la velocidad del viento no es constante y varía a lo largo del tiempo, es por tanto importante medir la velocidad del viento en una determinada zona en el transcurso de un año o más para comprobar que velocidades del viento son las más frecuentes.
La variación del viento en un emplazamiento típico suele describirse utilizando la llamada "Distribución de Weibull", como la mostrada en el dibujo:
En el eje de las X se han puesto las velocidades del viento en m/s y en el eje de las Y el tiempo que esas velocidades se han conseguido a lo largo del año, frecuencia expresada en tanto por uno.
Se observa que los fuertes vendavales son raros (v>14 m/s) y que los vientos frescos y moderados son bastante comunes.
En este emplazamiento la velocidad media a lo largo del año ha sido de 7 m/s y la forma de la curva está determinada por un parámetro de forma de 2.
La distribución estadística de las velocidades del viento varía de un lugar a otro del globo, dependiendo de las condiciones climáticas locales, del paisaje y de su superficie. Por lo tanto la Distribución de Weibull puede variar tanto en la forma como en el valor medio.
Densidad de potencia.
Sabemos que el potencial de energía por segundo del aire varía proporcionalmente al cubo de la velocidad del viento. Si multiplicamos la potencia de cada velocidad del viento por la probabilidad de cada velocidad del viento sacada de la gráfica de Weibull, habremos calculado la distribución de energía eólica a diferentes velocidades del viento lo que llamamos "densidad de potencia".
En esta gráfica el área bajo la curva gris (a lo largo del eje horizontal) nos da la cantidad de potencia eólica por m2 de flujo de viento que puede esperarse en este emplazamiento en particular. En este caso tenemos una velocidad media de 7 m/s y un weibull k=2, por lo que tenemos en total 402 W/m2. Observe que esta potencia es casi el doble de la obtenida cuando el viento sople constantemente a la velocidad media.
El gráfico consta de cierto número de columnas estrechas, una para cada intervalo de 0'1 m/s de la velocidad del viento.La altura de cada columna es la potencia (nº de W por m2), con la que cada velocidad del viento en particular contribuye en la cantidad total de potencia disponible por metros cuadrados.El área bajo la curva azul indica que cantidad de potencia puede teóricamente convertir en potencia mecánica (según la ley de Betz, será 16/27 de la potencia total del viento).El área total bajo la curva roja nos dice cuál será la potencia eléctrica que un aerogenerador producirá en dicho emplazamiento.
De este gráfico sacamos las siguientes informaciones:
a. La mayor parte de la energía eólica se encontrará a velocidades por encima de la velocidad media del viento.
b. Velocidad de conexión:
Los aerogeneradores están diseñados para empezar a girar a velocidades alrededor de 3-5 m/s. Es la llamada "velocidad de conexión".El área azul de la izquierda muestra la pequeña cantidad de potencia perdida por este hecho.
c. Velocidad de corte:
El aerogenerador se programará para pararse a altas velocidades del viento, de unos 25 m/s, para evitar posibles daños.La minúscula área azul de la derecha representa la pérdida de potencia por este motivo.
Curva de potencia.
La curva de potencia de un aerogenerador es un gráfico que nos indica la potencia eléctrica que es capaz de generar para cada velocidad del viento.
El gráfico muestra una curva de potencia de un típico aerogenerador de 600 kW.
Las curvas de potencia se obtienen a partir de medidas en campo, donde un anemómetro situado en un mástil toma velocidades del viento y la potencia eléctrica se lee directamente de los aparatos de control del aerogenerador.
Coeficiente de potencia.
El coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento en electricidad.
Para calcular el coeficiente de potencia para cada velocidad dividimos el valor de la potencia eléctrica para cada velocidad sacado de la curva de potencia por el área de barrido del rotor, sacamos así la potencia disponible por metro cuadrado.Posteriormente, para cada velocidad, dividimos el resultado anterior por la cantidad de potencia en el viento por m2
El gráfico muestra la curva del coeficiente de potencia de un aerogenerador típico. Aunque la eficiencia media de estos aerogeneradores suele estar por encima del 20%, la eficiencia varía mucho con la velocidad del viento.
Como se puede observar, la eficiencia mecánica del aerogenerador más alta (44%) se da a velocidades alrededor de 9 m/s. Este valor es un dato elegido deliberadamente por los constructores de turbinas, ya que:
a. A bajas velocidades del viento la eficiencia del aerogenerador no es importante, ya que la energía del viento no es mucha.
b. A altas velocidades la eficiencia tampoco interesa que sea muy alta por un doble motivo, según la densidad de potencia a alteas velocidades esta es baja y además hay peligro de ruptura del aerogenrador, por lo que este se para a esas velocidades.
Así pues, la eficiencia interesa que sea alta en aquellas zonas de velocidades de viento más frecuentes, donde se encuentra la mayor parte de la energía.
RESULTADOS OBTENIDOS:
No contamina
Ahorro en capital Aceptación de las empresas ( personas ) Excelente funcionamiento del aerogenerador
OBJETIVOS ALCANZADOS
Nuestros objetivos serian:
Buen funcionamiento del aerogenerador Excelente solución al problema El ahorro en capital Disminución del tiempo en trabajo Montaje del aerogenerador rápido.
NUEVAS NECESIDADES, PROBLEMAS, IDEAS
Algunas de nuestras necesidades serian el traslado del equipo, fondos económicos
Nuestros problemas son, en algún traslado o colocación se rompa el aerogenerador o alguna pieza que lo compone, un mal cálculo y depender del aire.
Nuestra nueva idea sería hacerlo de un material resistente, menos costoso y eficiente.
BIBLIOGRAFIA.
http://www.prenealmexico.com.mx/que%20es%20un%20aerogenerador.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Aerogenerador
http://www.monografias.com/trabajos82/aerogeneradores-generadores-electricidad-y-productores-agua/aerogeneradores-generadores-electricidad-y-productores-agua3.shtml