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    GUIAS DE PRÁCTICA PETROLEO Código de registro: RE-10-LAB-118 Versión 1.0

    UNIVERSIDAD DEL VALLE

    LABORATORIO DE ENERGÍA EÓLICA

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    Practica Nº 1

    TECNOLOGÍA DEL SISTEMA EÓLICO

    1.- CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO

    La masa de aire en movimiento es energía cinética que puede ser transformada en

    energía eléctrica. Al incidir el viento sobre las palas de una aeroturbina se produce un

    trabajo mecánico de rotación que mueve a su vez un generador para producir

    electricidad.

    La cantidad de energía que contiene el viento antes de pasar por un rotor en movimiento

    depende de tres parámetros: la velocidad del viento incidente, la densidad del aire y el

    área barrido por el rotor.

    La velocidad a la que el aire pase por las palas resulta determinante, pues la energía

    cinética del viento aumenta proporcionalmente al cubo de la velocidad a la que se

    mueve.

    La característica técnica principal de los aerogeneradores es que cuanto mayor es la

    potencia de la turbina, más baja es su velocidad de giro, por ejemplo las turbinas de 300

    Kw. operan a velocidades alrededor de 40 RPM, mientras que las de 10 kW tienen una

    velocidad de operación de 400 – 800 RPM.

    Debido a la especial configuración de este tipo de configuración, donde el generador seencuentra situado en la parte superior de una torre, el criterio de peso de la maquina es

    crítico. Los criterios generales para este tipo de generadores son:

      Poco peso

      Bajas velocidades de rotación

      Elevados pares

      Operación normal en régimen de velocidad variable

    Las maquinas axiales están caracterizados por su elevada densidad de par, y por la

    capacidad de poder incluir un elevado número de pares de polos, lo que adecua para el

    empleo en los aerogeneradores.

    La velocidad de giro de las turbinas en los aerogeneradores está sujeta a un régimen

    variable impuesto por la velocidad del viento, que sigue una distribución de probabilidad

    de Weibull. Esta funcion de probabilidad depende de:

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      El lugar donde se encuentra el aerogenerador

      La velocidad media del viento  La velocidad nominal del viento

    Lo anterior significa, que estos generadores se deben diseñar para todo el rango de

    velocidades que proporciona el viento, y no para un punto de operación específico.

    Las aeroturbinas de eje horizontal se clasifican según su velocidad de giro o según el

    número de palas que lleva el rotor, aspectos que están íntimamente relacionados en

    rápidas y lentas; las primeras tienen un numero de palas no superior a 4 y las segundas

    pueden tener hasta 24. El proceso de funcionamiento de estas máquinas es diferente,

    por lo que respecta al tipo de la acción debida al viento que las hace funcionar; en las

    maquinas lentas la fuerza de arrastre es mucho más importante que la de sustentación,

    mientras que en las maquinas rápidas la componente de sustentación es mucho mayor

    que la de arrastre.

    El número de palas influye en el par de arranque de la máquina, de forma que una

    maquina con un rotor con gran número de palas requiere un par de arranque mucho

    mayor.

    Para aerogeneradores destinados a la obtención de energía eléctrica, el número de

    palas puede ser de 2 o 3, por cuanto la potencia generada no depende más que de la

    superficie A barrida por la hélice.

    La aeroturbina puede accionar dos tipos distintos de aerogeneradores eléctricos, de

    corriente continua (dinamo), o de corriente alterna (alternador), bien directamente o

    mediante un sistema de multiplicación de engranajes.

    Los aerogeneradores están asegurados en una torre de hormigón o de acero.

    La altura de la torre permite captar vientos con flujo más laminar, de mayor velocidad

    media, lo cual repercute en los diferentes diámetros del rotor hasta 50 metros de

    diámetro.

    Una cuestión bien importante es el rotor, puesto que las palas están sometidas a

    condiciones de trabajo bien duras, como: corrosión, erosión, contracciones y dilataciones

    debidas a las vibraciones (fatiga), etc.; de ahí es muy importante el material con que se

    construyen, por ello se utiliza aleaciones de aluminio y fibra de vidrio de diversas formas.

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    Las aeroturbinas al estar acopladas a los generadores eléctricos que requieren, en

    general, una velocidad de rotación sincronía, precisan de un sistema multiplicador derevoluciones con un mínimo de engranajes, con lo que las pérdidas por rozamiento

    disminuyen simplificando la transmisión.

    Un dispositivo muy importante en un aerogenerador eolico es el que permite la

    regulación y control del número de revoluciones, que además sirve de protección de

    dicha máquina para velocidades de viento superiores a las admisibles bajo el punto de

    vista estructural.

    Cuando la maquina está sometida a una determinada velocidad, comienza a girar, dicha

    velocidad es la velocidad de conexión, pero su giro es lento y la maquina está lejos de

    generar su máxima potencia.

     A medida que la velocidad del viento aumenta, el rotor gira más rápido y la potencia que

    produce también aumente, a una determinada velocidad nominal, el rotor gira a las

    revoluciones precisas para que la maquina proporcione su potencia nominal y a partir de

    ese momento, si la velocidad aumenta hayque actuar sobre ella regulando su velocidad.

    La velocidad a la que el rotor inicia la parada es la velocidad de desconexión y los

    procedimientos utilizados para que dicha desconexión se produzca se llama de

    protección.

    Las maquinas eólicas que accionan un generador eléctrico presentan diversos tipos desistema de regulación:

    a) Regulación por frenado aerodinámico.- que se activan por la acción de la fuerza

    centrífuga de rotación y el frenado se realiza mediante la colocación de perfiles

    aerodinámicos en los extremos de las palas del rotor.

    b) Mediante el control electrónico de la potencia.- Consiste en controlar la velocidad del

    rotor mediante resistencias rotóricas variables, controladas por un microprocesador

    y accionada por interruptores estáticos.

    c) Regulación por desenganche de las palas (Darrieux).- Consiste en que mediante laacción de una varilla se puede dejar en una posición en la que no actué sobre ellas

    el viento; esta situación se conoce como regulación por bandera.

    d) Regulación por orientación del rotor.- Se utiliza en aerogeneradores de baja potencia.

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    e) Otras formas de frenado.- Con palas huecas se puede reducir la velocidad con la

    aparición de corriente de aire en la periferia de las palas.

    Los mecanismos de orientación cumplen la función de orientación, de forma que el vientoincida perpendicularmente al disco de barrido por el rotor, con el fin de obtener la máxima

    potencia a base de hacer incidir la mayor cantidad posible de masa de aire en

    movimiento y así obtener la mayor cantidad posible de energía cinética; con esté fin

    existen diversos sistemas que permiten la orientación de la máquina, como:

    o  Cola o veleta, utilizado en máquinas pequeñas.

    o  Sistema de orientación accionado por rotores auxiliares.

    o  Un servomotor controlado electrónicamente

    o  Un sistema de orientación por efecto de la conicidad que se da a las palas en su

    disposición y montaje sobre el soporte.

    2.  COMPETENCIAS 

    -  El alumno debe analizar el funcionamiento de cada uno de los componentes

    del sistema eólico del laboratorio de energía.

    -  El alumno debe calcular la potencia nominal del aerogenerador de laboratorio

    y la velocidad límite para que no exista peligro de envejecimiento del rotor.

    3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS

    -  Cámara fotográfica o filmadora-  Flexómetro

    -  Escalera

    -  Reloj.

    -  Multímetro digital

    4. PROCEDIMIENTO

    1. Efectuar la medición “s” la distancia entre el plano barrido por las palas y el

    eje de giro vertical.

    2. Efectuar la medición “m” entre el centro de gravedad de la placa que conforma

    la veleta y el eje de giro vertical.

    3. Verificar si se cumple: m = 4 s

    4. Efectuar el análisis de cada uno de los componentes del sistema eolico de

    laboratorio.

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    5. Analizar la naturaleza del voltaje de generación.

    6. El diámetro de la hélice del aerogenerador de laboratorio es de 2 metros,

    calcular la velocidad de rotación RPM máxima, de tal manera para que las

    palas del rotor no sufran tensiones mecánicas considerables en los extremosy pueda existir el peligro de daños de las palas.

    7. Efectuar el contado del número de vueltas durante el transcurso de 2 minutos

    y calcular la velocidad promedio en metros/segundo.

    5.  TIEMPO DE DURACIÓN DE LA PRÁCTICA

    Tiempo estimado de duración de la práctica 100 min.

    6. MEDICIÓN, CÁLCULOS Y GRÁFICOS

     Anotar los voltajes generados en un intervalo de 15 segundos utilizando la siguientetabla:

    No Intervalo tiempo (s) Voltaje generado

    1 0  –  15

    2 15 – 30

    3 30 – 45

    4 45 – 60

    5 60 – 75

    6 75 – 90

    7 90 – 105

    8 105 - 120

      Analizar la tabla anterior.

      Calcular la potencia nominal.

    7. CUESTIONARIO

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    1.- Explicar Torres flexibles y Torres rígidas.

    2.- Los diseños actuales de aerogeneradores se clasifican en aerogeneradores de pala

    de paso fijo y de pala de paso variable. Explicar ellos.

    3.- Explicar igualdades y diferencias entre el sistema eolico y el sistema fotovoltaico delaboratorio.

    4.- Explicar generadores sincronos de energía eléctrica

    5.- Explicar cuando la generación es DC (energía eléctrica continua) y cuando AC

    (energía eléctrica alterna).

    Práctica Nº 2

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    DENSIDAD DE AIRE ÓPTIMO PARA UN SISTEMA EÓLICO

    1. CONOCIMIENTO TEORICO REQUERIDO 

    El poder del viento varía linealmente con la densidad del aire y con la altura.

    En la teoría analizamos que la cantidad de energía que contiene el viento antes de pasar

    por un rotor en movimiento depende de tres parámetros: la velocidad del viento incidente,

    la densidad del aire y el área barrido por el rotor.

    La densidad de potencia depende de la temperatura y de la altura ( presión atmosférica).

    Por tanto el valor de la densidad de aire respecto a la temperatura es calculado con la

    siguiente ecuación:

    =  (3) 

    Siendo: P = Presión del aire = Pa o N / m²

    R = Constante especifica del aire = 287 J / Kg-ºK

    T = Temperatura en grados Kelvin = ( ºC + 273)

    Si la presión no se conoce, entonces la densidad es estimado con la siguiente formula:

    = − ⁄    

    Siendo: Po = Presión atmosférica Estándar = 101.326 Pa)

    g = Constante gravitacional = 9,8 m / seg²

    Z = Elevación del sitio = metros

    Sustituyendo los valores numéricos anteriores tenemos:

    = . ⌊−.⌋   

    La velocidad del viento es mayor en tiempo caliente (dia) y menor en tiempo frio (noche),

    esto es conocido como vientos termicos.

    Para el uso energetico del potencial de viento hayque tomar en cuenta que la densidad

    del aire disminuye a mayores alturas. Por ejemplo a 3.800 m.s.n.m. y 10 ºC la densidad

    es de solo 0,83 Kg/m³ comparado con 1,2 Kg/m³ a nivel del mar.

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    2. COMPETENCIAS

    El alumno realiza la medición y los cálculos debidos para conocer la densidad del aire

    en el punto donde se planifica la instalación del sistema eólico para el cálculo de lapotencia.

    3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS

    -  Flexometro

    -  Maquina calculadora

    -  Termómetro

    4. TECNICA O PROCEDIMIENTO

    1. Efectuar la medición de la temperatura del aire a la altura del punto de la turbinaeólica.

    2. Efectuar la medición de dicha altura o consultar dicha longitud

    3. Efectuar los cálculos debidos para la obtención de la densidad del aire en el punto

    de análisis

    4. Anotar las características del área barrida por el rotor de la turbina (diámetro)

    5. TIEMPO DE DURACION DE LA PRÁCTICA

    Tiempo estimado de duración de la práctica 100 min.

    6. MEDICIÓN, CÁLCULOS Y GRÁFICOS

    Calcular la densidad de potencia si la eficiencia del rotor es de 1,25 y la velocidad del

    aire promedio es de 5 m/s.

    7. CUESTIONARIO

    1. Realizar las equivalencias correspondientes entre slg/pie³ y Kg/ m³2. Explicar el o las empresas en nuestro medio que se ocupan de estudiar la

    presión atmosférica y la densidad relativa del aire 3. De acuerdo a la densidad, rugosidad, velocidad promedio y altura describir

    que departamentos de nuestro país cumplen las reglas básicas para pensaren la instalación de un sistema eólico 

    4. Investigar que es el SENAMHI 

    Práctica Nº3

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    VELOCIDAD PERIFÉRICA DE LAS PALAS DEL ROTORDE LOS AEROGENERADORES

    1. CONOCIMIENTO TEÓRICO REQUERIDO

    En un aerogenerador horizontal, el estudio técnico del rotor se relaciona con el análisis

    aeronáutico de las hélices.

    La pala de una hélice de un aerogenerador eólico es una pala perfilada que transforma

    la energía cinética del viento en energía mecánica de rotación. Las fuerzas que actúan

    sobre la pala, se obtienen estudiando la acción del viento relativo que recibe la pala de

    velocidad c (viento aparente), que se puede considerar como una suma del viento real

    de velocidad v,y de un viento originado por el movimiento de rotación de la pala de

    velocidad u.

    El objetivo de las palas es que estén perfiladas convenientemente, con el propósito de

    evitar las turbulencias originadas sobre el extradós (aire en depresión), ocasionando una

    disminución de la energía cinética del aire.

    La resistencia del aire sobre un perfil comprende dos componentes: de arrastre y

    ascensional, el primero en la dirección del viento (fuerza de arrastre), y el segundo

    perpendicular a dicha dirección (fuerza ascensional).

    = +  

    Para un elemento de pala diferencial en rotación dS se tiene:

    Fuerza de arrastre :

      = = () ∗   

    Fuerza ascensional:

    = = () ∗

     Las fuerzas de arrastre y ascensional actúan en el centro aerodinámico de la pala de

    rotación.

    Cx es el coeficiente de arrastre y Cy es el coeficiente ascensional, que dependen del tipo

    de perfil, el ángulo de incidencia y del número de Reynolds.

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    El coeficiente aerodinámico total CT es de la forma:

    = +  Si se proyectan las fuerzas de arrastre o de resistencia y de empuje ascensional o

    sustentación sobre el plano de rotación, se obtiene una fuerza útil dFpar, que hace girar

    la hélice, y otra fuerza perpendicular dFaxial (fuerza de empuje del viento sobre el rotor),

    que se compensa por la reacción del soporte del eje del rotor de la hélice de la forma:

    = ()

     

    =()  

    θ es el ángulo que forma el p lano de rotación con la dirección aparente del viento que pasa por

    el borde de ataque, se conoce como ángulo aparente del viento.

    α es el ángulo que forma el plano del perfil (cuerda) con la dirección del viento, se conoce como

    ángulo de incidencia o de ataque.

    El rendimiento aerodinámico es la relación entre la potencia útil generada por la pala y

    la consumida por el viento, en la forma:

    =     +  

    Se define esbeltez de un perfil a la relación de los coeficientes de arrastre y ascensional

    para un valor dado del ángulo de inclinación (α) del perfil de la pala, en la forma:  

    Esbeltez = f = Ky / Kx = Cy / Cx = 1 / tang α 

    TSR = u/v = cotg θ =R w/v = (π R n) / (30 v) 

    Siendo TSR (Tip-Speed-Ratio), el cociente entre la velocidad periférica de la pala u y la

    del viento v, conocida como velocidad periférica de la pala, que sustituye al númeroespecífico de revoluciones.

    La relación u/v suele variar entre 0,2 y 10 lo que permite hacer la siguiente clasificación

    de maquinarias de eje horizontal:

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    -  Grandes molinos menor que uno.

    -  Aerogeneradores de palas múltiples casi igual a tres

    -  Aerogeneradores rápidos casi igual a diez

    La optimización de una instalación eólica radica en conseguir la máxima generación de

    energía para un costo dado. Por tanto, y teniendo en cuenta que el costo principal

    procede de la amortización de la inversión. Es evidente que el objetivo es conseguir que

    el equipo instalado genere la mayor cantidad de energía posible.

    Esta energía se puede calcular como la potencia eléctrica media que haya generado a

    lo largo de un año, multiplicado por el número de horas de ese año.

    Según la teoría, la velocidad del viento se puede representar como una variable aleatoriade la función de la densidad, por tanto la potencia eléctrica media generada será:

    N = ηp ηm ηg Nviento 

    En lo que:

    ηp≤ 59,5 %, es la eficiencia con que la energía del viento se convierte en energía

    mecánica (Limite de Betz).

    ηm≤ 0,83, es la eficiencia con que la energía mecánica es cedida al generador a través

    de la transmisión mecánica.

    ηg≤0,93, es la eficiencia con que la energía cedida al generador se transfiere en

    electricidad.

    Por lo tanto, en un emplazamiento dado se debe escoger el aerogenerador cuyos

    parámetros v conexión, v nominal y v embalamiento hagan máxima esta potencia

    eléctrica media.

    2. COMPETENCIAS

      El alumno deber conocer la clasificación de las maquinas eólicas según laposición de su eje de giro respecto a la dirección del viento. 

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      El alumno debe reconocerlas Aero turbinas de eje horizontal se encuentran másdesarrolladas, tanto desde el punto de vista técnico como comercial.

      El alumno debe conocer que los equipos eólicos instalados generen la mayor

    cantidad de energía posible y que el rendimiento aerodinámico es mejor cuandoel perfil de las palas presentan un ángulo de calaje o de inclinación.

    3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS

    -  Aerogenerador-  Metro o flexo metro

    4. TECNICA O PROCEDIMIENTO

    1. Efectuar el análisis de TSR del aerogenerador del laboratorio de Energías.2. Efectuar la medición de la cuerda

    3. Efectuar el análisis de accionamiento de la aeroturbina de generacióneléctrica4. De acuerdo a la medición de RPM, calcular la velocidad en metros/segundo.

    5. TIEMPO DE DURACIÓN DE LA PRÁCTICA

    Tiempo estimado de duración de la práctica 50 min.

    6. MEDICIÓN, CALCULOS Y GRAFICOS

    -  Realice un esquema del aerogenerador de Laboratorio de Energías

    -  Calcular la velocidad en metros/segundo de acuerdo a la medición de RPM

    7. CUESTIONARIO

    1. Explicar porque se elige un TSR elevado para las maquinas eólicas rápidas. 2. Explicar generadores eléctricos de: 

    a) Corriente continua (dinamos).

    b) Corriente alterna (alternador).

    c) Aplicaciones en aerogeneradores horizontales rápidos y lentos.

    3. Explicar porque el rotor multípara se utiliza para el bombeo de agua.

    4. Explicar los mecanismos de orientación utilizados en aerogeneradores de eje

    horizontal.

    5. Desarrollar básicamente dimensionado de un rotor eólico horizontal

    6. Sea una hélice tripala de 3,70 metros de diámetro, esta girando en una

    corriente de aire de velocidad de 8,94 m/seg. Calcular:

    a) Fuerza aerodinámica

    b) Fuerza aerostática.

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    Práctica Nº 4

    CLASIFICACION DE AEROGENERADORES YDISEÑO SIMPLIFICADO DE AEROGENERADORES RAPIDOS

    DE EJE HORIZONTAL

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    1. CONOCIMIENTO TEÓRICO REQUERIDO

    Las máquinas eólicas han sido estudiadas por el hombre en forma intensiva y dentro deellas existen en la actualidad diferentes tipos que van desde pequeñas potencias, a las

    grandes máquinas americanas y alemanas de varios MW. Son numerosos los

    dispositivos que permiten el aprovechamiento de la energía eólica, pudiéndose hacer

    una clasificación de los mismos según la posición de su eje de giro respecto a la dirección

    del viento.

    En las máquinas eólicas de eje horizontal, para obtener en las palas una velocidad

    angular regular y uniforme (w, para una determinada velocidad del viento r v se requiere

    que tanto la dirección del viento, como su velocidad, se mantengan constantes con

    respecto a las palas. Por el contrario, en las máquinas eólicas de eje vertical,

    manteniendo las mismas condiciones regulares en la velocidad del viento y en la

    velocidad angular de las palas, resulta que éstas pueden estar sometidas a un viento

    aparente de dirección y velocidad continuamente variables, por lo que en estas

    máquinas, el flujo aerodinámico resulta ser muy complicado, ignorándose en muchas

    ocasiones las verdaderas posibilidades de las mismas.

    Las máquinas eólicas se pueden clasificar en:

      Aero turbinas de eje horizontal y de eje vertical

      Sistemas giromill (eje vertical y palas verticales, con o sin distribuidor)

      Sistemas especiales. Dentro de ellas las aeroturbinas de eje horizontal se

    encuentran más desarrolladas, tanto Desde el punto de vista técnico comocomercial.

    MAQUINAS EOLICAS DE EJE HORIZONTAL

    Las aeroturbinas de eje horizontal se suelen clasificar según su velocidad de giro o según

    el número de palas que lleva el rotor aspectos que están íntimamente relacionados, en

    rápidas y lentas; las primeras tienen un número de palas no superior a 4 y las segundas

    pueden tener hasta 24.

    Los principales tipos de máquinas eólicas de eje horizontal, son:

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    a. Máquinas que generan un movimiento alternativo, que se utilizan para el bombeo

    de agua

    b. Máquinas multipalas

    c. Hélices con palas pivotantes (ángulo de ataque variable)d. Hélices con palas alabeadas, muy sofisticadas, que incluyen clapetas batientes

    y alerones de ángulo variable

    Los aerogeneradores de eje horizontal tipo hélice Fig. 4, constan de una aeroturbina, de

    una góndola o navecilla que contiene al generador eléctrico, dinamo o alternador, al

    sistema de acoplamiento que puede ser a su vez multiplicador del número de

    revoluciones proporcionadas por la hélice y al sistema de control y orientación; todo esto

    va montado sobre una torre similar a las de las líneas eléctricas, en la que hay que vigilar

    con sumo cuidado sus modos de vibración.

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

    aplicaciones van destinadas generalmente al bombeo de agua.

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

    Suelen ser tripalas TSR = 4 y en algunos casos bipalas TSR = 8, habiéndose diseñado

    y construido, incluso, aeroturbinas con una sola pala.

    El proceso de funcionamiento de estas máquinas es diferente, por lo que respecta al tipo

    de la acción debida al viento que las hace funcionar; en las máquinas lentas la fuerza de

    arrastre es mucho más importante que la de sustentación, mientras que en las máquinas

    rápidas la componente de sustentación es mucho mayor que la de arrastre.

    El número de palas también influye en el par de arranque de la máquina, de forma que

    una máquina con un rotor con gran número de palas requiere un par de arranque mucho

    mayor.

    MAQUINAS EOLICAS DE EJE VERTICAL

    Entre las máquinas eólicas de eje vertical se pueden citar:

    a) El aerogenerador Savonius Fig. 1 que puede arrancar con poco viento, siendo

    muy sencilla, su fabricación; tiene una velocidad de giro pequeña y su

    rendimiento es relativamente bajo.

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    b) El aerogenerado r Darrieux o de catenaria Fig. 3, requiere para un correcto

    funcionamiento, vientos de 4 a 5 metros por segundo como mínimo, manteniendo

    grandes velocidades de giro y un buen rendimiento; se construyen con 2 ó 3 hojas

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    c) El molino vert ical de palas tipo girom il l o cic logiro que deriva del Darrieux;

    tiene entre 2 y 6 palas.

    El modelo Darrieux arranca mal, mientras que el Savonius se puede poner en

    funcionamiento con una pequeña brisa; debido a ello se puede hacer una combinación

    sobre un mismo eje de ambas máquinas de forma que un rotor Savonius actúe durante

    el arranque y un rotor Darrieux sea el que genere la energía para mayores velocidadesdel viento.

    Los aerogeneradores de eje horizontal se clasifican según su velocidad de giro o según

    el número de palas que lleva el rotor, aspectos que están íntimamente relacionados, en

    rápidos y lentos.

    En los aerogeneradores de eje horizontal rápidos, el rotor está constituido por una hélice

    de 2 o más palas; los perfiles utilizados normalmente en las mismas son muy parecidos

    al perfil de ala de avión, por cuanto éstos están muy estudiados y se conocen muy bien

    sus características; dichos perfiles se eligen teniendo en cuenta el número de

    revoluciones por minuto que se desea adquiera el aparato, definiéndose el perfil enfunción de:

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    o  La forma de la estructura del mismo respecto a sus líneas medianas o cuerdas a

    distintas distancias del eje de giro

    o  De su espesor con relación a la longitud característica de la cuerda

    o  De la simetría o no de las palas, etc.

    La forma de la pala es función de la potencia deseada, al igual que su velocidad de

    rotación, eligiéndose perfiles que no creen grandes tensiones en los extremos de las

    Palas por efecto de la fuerza centrífuga, de forma que el número de revoluciones por

    minuto máximo n máx. No supere la relación, n máx. D = 2000,siendo D el diámetro de

    la hélice en metros.

    Para aerogeneradores destinados a la obtención de energía eléctrica, el número de

    palas puede ser de 2 ó 3, por cuanto la potencia generada no depende más que de lasuperficie A barrenada por la hélice, y no del número de palas. La aeroturbina puede

    accionar dos tipos distintos de generadores eléctricos, de corriente continua (dinamos),

    o de corriente alterna (síncronos, asíncronos, etc.), bien directamente o mediante un

    sistema de multiplicación de engranajes Fig. 9, en la que se observa que los ejes del

    aerogenerador y del alternador pueden estar alineados o no. Los primeros diseños que

    eran de potencias pequeñas y velocidad fija, tenían generadores de inducción

    directamente conectados a la red.

    La potencia nominal, en primera aproximación, viene dada por la expresión:

    = .  Donde:

    N viene dada en vatios

    D en metros

    v en m/seg. 

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    Diagrama para la determinación de la potencia en aerogeneradores rápidos

    La potencia máxima de un aerogenerador rápido se obtiene para valores del TSR altos,

    del orden de 7 a 10, requiriéndose velocidades del viento superiores a 6 m/seg. Surendimiento es del orden del 35% al 40%, que es un valor más alto que el de los

    multipala.

    Con 3 o 4 palas se consigue un par de arranque importante, por cuanto en la puesta en

    marcha la fuerza ejercida por el viento es proporcional al número de palas (de ahí el uso

    de rotores multipala para el bombeo de agua, que requieren un buen par de arranque

    dadas las características del fluido a bombear), cosa que no se consigue con aparatos

    bipala que, en algunos casos, precisan de energía adicional para comenzar a funcionar.

    Parámetros prácticos utilizados en el diseño de los aerogeneradores eolicos

    1º RELAC IÓN DE VELOCIDAD PERIFÉRICA TSR

    2º RELACION PRÁCTICA ENTRE Cx y Cy

    3º FACTOR DE ACTIVIDAD

    4ºRENDIMIENTO AERODINAMICO

    La relación de velocidad específica o periférica TSR,Tip-Speed-Ratio,es un término que

    sustituye al número de revoluciones por minuto n del rotor; sirve para comparar el

    funcionamiento de máquinas eólicas diferentes, por lo que también se le suele

    denominar velocidad específica.

    El TSR indica que la periferia de la pala circula a una velocidad TSR veces mayor que la

    velocidad del viento v y es la relación entre la velocidad periférica u de la pala, Rw la del

    punto más exterior sobre la misma a partir del eje de rotación, y la velocidad v del viento,en la forma:

    = é  

    = = =  

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    Tipo de máquina TSR de

    diseño

    Tipo de pala Cy/C x

    Bombeo de agua 1 Placa plana 10

    Bombeo de Placa curvada 20-40

    Bombeo de Ala de tela 10-25

    Generadores eólicos

    pequeños

    3-4 Perfil simple 10-50

    Generadores Perfil 20-100

    Generadores  Ala de tela 20-30

    Generadores eólicos

    grandes

    5-15 Perfil

    alabeado

    20-100

    2. COMPETENCIAS

    El alumno tiene conocimientos sólidos en la determinación de las ventajas y desventajas

    de los diferentes tipos de Aerogeneradores. 

    Razonamientos técnicos para la toma de decisiones en el diseño de aerogeneradores

    lentos, rápidos y para bombeo de agua. 

    Conoce los parámetros prácticos utilizados en el diseño de los Aerogeneradores Eólicos. 

    Identifica de conocimientos y saberes del sistema Eólico para solución de suministro

    eléctrico. 

    3. MATERIALES, REACTIVOS Y EQUIPOS

    -  Maquina Eólica Multipala..

    -  Sistema Eólico de eje vertical Darrieux.

    -  Sistema Eólico de eje vertical Savonius.

    -  Sistema Eólico de eje horizontal rápido.

    4. PROCEDIMIENTO

      Preparar Los sistemas eólicos de eje vertical y horizontal en área donde existe

    viento.   Analizar los tipos de posiciones de la hélice frente al viento de los sistemas.   Determinar la influencia del número de palas frente al par de arranque.   Conocer los principios de la aerodinámica aplicados a los aerogeneradores.   Conocer los tipos de orientación para obtener la máxima potencia en las

    maquinas eólicas. 

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    5. TIEMPO DE DURACIÓN DE LA PRÁCTICA

    Tiempo estimado de duración de la práctica 100 min.

    6. MEDICION, CALCULOS Y RESULTADOS

    Para el diseño y cálculo simplificado de los aerogeneradores eólicos rápidos de eje

    horizontal, para calcular el diámetro del rotor, se iguala la potencia específica

    proporcionada por el generador y la potencia de salida del sistema a la velocidad máxima

    del viento.

    El generador requiere 300 rpm para generar 1 Kw y el rotor funciona a estas 300 rpm.

    De acuerdo a los Laboratorios anteriores y a las características técnicas se llegó a tenerlos siguientes datos:

    Nutil = 1 kw ρ = 1,225 kg/m3v = 6,7 m/segή = 25 %

    Calcular:

    -  El área del rotor. -  El diámetro del rotor. 

    -  Características del multiplicador. -  La relación de velocidad específica o periférica. -  Si se instala un multiplicador de velocidades, con una relación 2/1, determinar: -  La velocidad del rotor  -  La relación de velocidad especifica. 

    7. CUESTIONARIO

    a. Desarrollar los tipos de posiciones de la hélice frente al viento de los

    aerogeneradores de eje horizontal.

    b. Describir en los Aerogeneradores:

    a) Ventajas de eje vertical frente a los de eje horizontal.b) Ventajas de eje horizontal respecto a los de eje vertical.

    8.3. De acuerdo a los cálculos realizados con y sin multiplicador en el acoplamiento

    rotor y generador eléctrico analizar sus TSR.

    8.4. Desarrollar otros tipos de máquinas Eólicas utilizadas para generar electricidad.

    8.5. Desarrollar:

    a) Parque Eólico.

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    b) El país con mayor energía eólica producida.

    c) El país pionero de la industria de la energía eólica en Europa.

    d) Proyecto Qollpana