CONSTRUCCIÓN DEL ROTOR EÓLICO
UNA
TURBINA EÓLICA DE 200 WATT
Traducción de la página sobre una turbina eólica, de dos metros
de diámetro, del Sitio Web de Andy Little en:
http://www.servocomm.freeserve.co.uk/index.htm
http://www.servocomm.freeserve.co.uk/Windpower/uber_frame.htm
andy@servocomm.freeserve.co.uk andy@servocomm.freeserve.co.uk
Resumiendo, el asunto fue diseñar y construir un molino de viento
con un rendimiento máximo de al menos 200 watts, sobre un buen rango de
velocidades de viento. Consecuentemente el diseño ha sido optimizado para
vientos livianos, con una batería de auto, de 12 voltios, como medio de
almacenamiento.
Claramente, se seleccionó –como base para el diseño- una turbina
eólica convencional de 3 aspas y de eje horizontal (TEEH), en inglés:(HAWT),
de aproximadamente 2,3 metros de diámetro.
El alternador fue diseñado para construirlo sin el uso de un torno.
El rotor fue diseñado para ser liviano y tener una larga duración,
usando materiales de alta tecnología.
EL ROTOR DE VIENTO
La base inicial para el diseño fue la lectura del excelente libro
de Hugh Piggots “Taller sobre el Poder del Viento”. En el libro se describe,
en detalle, la construcción de un rotor de madera, sin embargo al tener cierta
experiencia en el moldeado, nos decidió a construir un rotor de fibra de
vidrio.
Sin embargo enfatizaría, fuertemente, que si usted desea obtener
una turbina completa, lo más rápidamente posible, entonces un rotor de madera
tallada –como describe el libro de Hugh Piggots- sea, probablemente la mejor
opción.
La ilustración de más abajo muestra el resultado del
“Bladecalc” (Aspacalco), un programa usado para diseñar la hoja del rotor o
aspa.
DISEÑO DEL ROTOR
La forma del aspa del rotor eólico fue deducida matemáticamente.
El teorema de Betz predice la
cantidad de energía disponible para una turbina de viento, según la velocidad
del viento.
Conociendo el promedio de la velocidad del viento, en el lugar del
emplazamiento, y el promedio de potencia requerido, el diámetro del rotor y la
longitud de las aspas pueden ser deducidos.
El otro requerimiento
es trabajar el índice de rotación de la turbina, el cual es controlado por, o
afectado por el diseño de el alternador o generador.( the required rate of
rotation of the wind turbine, which is governed by, or affects design of the
alternator or generator).
Otro parámetro limitante es el “mínimo de Reynolds”, número
bajo el cual el perfil aerodinámico
(P.A.) seleccionado, operará eficientemente.
El número de Reynolds es simplemente un producto de la velocidad del flujo de
aire a lo largo del P.A.
y su “cuerda”(línea imaginaria que conecta el extremo delantero y
trasero de un espacio aéreo), por lo tanto una “cuerda” más ancha proveerá
un “numero de Reynolds” más alto, para una determinada velocidad de viento
y así será más eficiente.
Texto en la ilustración de abajo: “Transformación de una
sección de geometría lineal a radial, en el aspa del rotor de un molino de
viento”.
Arc length: longitud del arco.
Traducción de “Notes”:
P0 es la coordenada del P.A. P1=P0 – Xc (traslación a lo largo de
X). P2=P1* l (ascenso). (Las transformaciones no son mostradas para mayor
claridad).
La sección del P.A., del aspa, elegido fue la Selig SD7032.
El próximo paso es rotar las coordenadas a la posición P3 a
través del eje z para un correcto ángulo de ataque relativo a la dirección
del viento aparente en el radio de las coordenadas del centro del cubo del
rotor.
El perfil de la sección del P.A. da por sentado que genera un flujo
de aire derecho sobre el aspa, sin embargo en el caso de
la pala del rotor una partícula de aire fluyendo sobre la pala describe
un arco. Por consiguiente describir exactamente el perfil aerodinámico P.A.
requiere modificaciones de las coordenadas a partir de una geometría lineal a
una radial.
Para hacer esto se requiere una traslación a lo largo del eje-x en una cantidad
–Xa. (en otras palabras, la coordenada x tiende a 0).
La coordenada está ahora en la posición P4.
Esto es seguido por una rotación alrededor del eje-y en un ángulo (-Xa/r) a la posición P5.
Xf es la coordenada x del P.A. file point
Y es la coordenada y del P.A. file point
Xc es la posición de la línea central de la pala o aspa relativa al borde de ataque.
Yc es la posición de la línea central de la hoja o aspa relativa a la línea de la“cuerda” del P.A.
I
es la cuerda del ala en el radio r de la coordenada x
(deducida en la Ecuación 1). Para
analizar los cálculos ir a “caculations”en:
http://www.servocomm.freeserve.co.uk/Windpower/windrotor1/uber_frame.htm?design/doc_frame.htm
Aquí está el perfil aerodinámico (PA) Selig sd7032.
Es de flujo laminar estilo P.A, así que debería ser razonablemente silencioso.
Con vientos de altas velocidades debería funcionar a una baja “CL” y el
diagrama muestra aquí un bajo arrastre... Bueno para que el ruido sea bajo.
Se conduce razonablemente bien abajo de un “número de Reynolds” de 60.000
–que es bajo- y tiene un rango de CL... Así que todo está bien.
El problema de la suciedad en el borde de ataque, que tiende a
aumentar, permanece sin resolver.
Los datos provienen del NASG (Nihon univ. Aero Student Group) Grupo
Aéreo de Estudiantes de la universidad Nihon: http://www.nasg.com/afdb/index-e.phtml
Se puede encontrar más información en la sección del Profesor Selig en la página
inicial de: http://www.uiuc.edu/ph/www/m-selig
Gráfico del perfil aerodinámico Selig sd7032 en: http://www.servocomm.freeserve.co.uk/Windpower/windrotor1/uber_frame.htm
SECCIONES DE LA PALA DEL ROTOR
La
configuración final elegida para las palas del rotor,
para un pequeño molino de viento como este, el número de Reynolds en el cual
la sección opera es bastante bajo, con vientos leves.
Se eligió un coeficiente de 0.7, de ascenso razonablemente bajo. Esto es
alcanzable con números de Reynolds bajos sin que se atasquen.
Esto hace que la “cuerda”
calculada de la pala o aspa sea más amplia, para así incrementar el número de
Reynolds levemente.
La
sección de la ilustración fue generada usando el Bladecalc. Para más
información sobre el Bladecalc haga clic aquí: For
further information about Bladecalc Click here.
|
Base de datos del
Perfil Aerodinámico
Y de la Curva Polar Buscar: Lista: Actualizar: Isertar:
Help (ayuda) |
Base
de datos del Perfil Aerodinámico (P.A.) “Airfoil”
Esta base de datos incluye
especificaciones del P.A. (contornos, espesores, proporciones, etc.) y
rendimiento (ascenso, arrastre y momento) información muy amplia.
Deseamos que la “Base de datos del P.A.) lo ayude a elegir o diseñar el
P.A. “Airfoil”. Estos son los servicios disponibles: Buscar Ud.
Puede buscar datos de rendimiento de P.A. y Curvas Polares desde varias
claves. Lista Ud.
Puede ver la lista indexada de P.A. y Curvas Polares. Actualización La
actualización de la información está disponible únicamente para los
usuarios registrados. Insertar Ud.
Puede insertar un nuevo dato acerca de los P.A. y Curvas Polares, Categorías
de P.A. y Grupos de Desarrollo. Especial agradecimiento a:UIUC Sitio de Datos de Airfoil (P.A.) y XFOIL (desarrollado por el
Dr. Mark Drela (Massachussets Institute of Technology) UIUC:
University of Illinois at Urbana-Champaign (Universidad de Illinois) |
Bienvenidos al UIUC
Applied Aerodynamics Group's homepage (UIUC Página inicial del Grupo de Aerodinámica
Aplicada). Comentarios o preguntas deberán enviarse a:
m-selig@uiuc.edu.
Busque este sitio: Search. Enlaces de Aerodinámica Aplicada: links. FAQ.
Ahora está disponible información acerca de las pruebas de los P.A.
de baja velocidad para modelos de
aeronaves distinto tipo, pequeñas turbinas eólicas y más en: Summary
of Low-Speed Airfoil Data - Volume 3. UIUC LSATs airfoil
data los Volumenes 1, 2
y 3 están en la web. Para diseño de P.A. en la web, vaya a PROFOIL-WWW
(La
página de diseño de P.A. está en reparación). También, verifique la página de Mike
Garton sobre la comparación de las nuevas perfomances de los Perfiles Aerodinámicos
en: http://soaring.cnde.iastate.edu/calcs/frames.shtml. Este sitio le permite sacar provecho de
los datos sobre los números de Reynolds bajos, para los P.A. de la UIUC LSATs.
Datos de funcionamiento, rendimiento y coordenadas de P.A. para más
de 1100 PA 1100
airfoils. Los datos de perfomance, son mayormente para aplicaciones con
bajos números de Reynolds. También es útil la Guía Incompleta de Airfoil
Comunes: The
Incomplete Guide to Airfoil Usage (563 kB) compilada y mantenida al día por Dave Lednicer. La guía
incluye una enumeración de que PA han sido usados en aproximadamente 5500
aviones.
EXPLOTACIÓN DE LA ENERGÍA DEL VIENTO – TEORÍA Y LA EXPERIENCIA ETÍOPE
VER:
http://home.att.net/~africantech/ESME/windhns1/WindHns1.htm
Teferi Taye
Igeniero Mecánico Senior
Grupo Ecuatorial de Negocios, Equatorial Business Group (EBG) Plc. División
de Energía , Addis Ababa, Ethiopia
Publicado en la Revista del ESME, (Ethiopian Society of Mechanical
Engineers) Vol.
II, No. 2, October 1999
Reimpreso con el permiso del ESME
por el Foro Africano de Tecnología: African
Technology Forum
El documento discute brevemente la teoría fundamental de la explotación del viento derivada de algunas ecuaciones importantes como el máximo factor de potencia alcanzable, las distintas fuerzas y momentos y sus tensiones resultantes. La experiencia del autor en las dos últimas décadas en el esfuerzo y desarrollo de la explotación de la energía del viento es resumida. Finalmente, el autor está a cargo de la empresa de poner en práctica las iniciativas tomadas por el EBG (Equatorial Business Group) para que este sistema de elevación de agua esté al servicio de la sociedad.
Energía
del Viento: Energy
From The Wind
Factor de Máxima Potencia (Cp): Maximum
Power Factor (Cp)
Fuerzas de Bombeo para
Cargar: Pump
Load Forces
Fuerzas en las Hojas del Rotor : Rotor
Blade Forces
Tensiones en los Rayos del Rotor en el Cubo: Stresses
in the Rotor Spoke at the Hub
Cálculos de las Tensiones Combinadas: Calculation
of the Combined Stresses
Dimensionado de una Bomba de Viento:
Sizing
of a Windpump
Valoración del Requerimiento de Agua: Assessment
of Water Requirement
Calculando el Requerimiento de Fuerza Hidráulica: Calculating
the Hydraulic Power Requirement
Determinando los Recursos Disponibles de la Potencia del Viento: Determining
the Available Wind Power Resource
La Experiencia Etíope: The
Ethiopian Experience
Fuentes de Viento: Wind
Resource
Autoridad Etíope de Recursos Hídricos: Ethiopian
Water Resources Authority (EWRA)
Misión Presbiteriana Americana en Omo: American
Presbyterian Mission at Omo
Universidad de Addis Abeba:
Addis
Ababa University (AAU)
Asociación Internacional de Voluntarios Laicos:
Lay
Volunteers International Association (LVIA)
La Experiencia en la Investigación y Desarrollo de Servicios de la Autoridad
Etíope de Construcción de Obras Sanitarias: The
Experience of the Research and Development Services (RADS) the
Ethiopian Water Works Construction Authority (EWWCA)
Iniciativas del: Equatorial
Business Group's (EGB) Initiatives
Coclusión: Conclusion
AQUÍ TERMINA LA PÁGINA DE DISEÑO DEL ROTOR AHORA VAMOS A: “Blade Calc”
Bladecalc.exe
– Página de Información.
Imagen
producida usando un bastidor DXF o “armadura de alambre” producido desde el
Bladecalc.exe
Generación e impresión de las secciones de las plantillas para las palas de un rotor de un molino de viento, como se describe en el capítulo para la construcción:
BladeCalc
Velocidad del viento = 5m/s (11.2 m.p.h.)
20,75 Km/h.
Velocidad pico = 72,579 m.p.h. ( 134,48 Km/h.)
r.p.m. = 286,5
Potencia de salida pronosticada = 146,63 Watts
Potencia Disponible (Betz) = 165,14 Watts
Eficiencia = 88,8%
Las
dimensiones de una pala , terminada, están determinadas por únicamente tres
parámetros:
·
Velocidad
del viento requerida.
·
Potencia
de salida requerida (shaft).
·
Revoluciones
por minuto requeridas.
Todos
los parámetros son modificables, como:
·
Raíz
del diámetro y punta.
·
Número
de palas.
·
Sección
del P.A.
·
Funcionamiento
CL
·
Cociente
de la velocidad pico.
·
Espesor
del entablado.
·
Espesor
del ribete del molde.
También
genera la entrada DXF adaptable para la entrad a un
programa CAD tal como el AUTOCAD, mostrado más arriba.
Predice
la potencia de salida y suministra información para diseño sobre números de
Reynolds, velocidad pico etc.
Para
más detalles contácteme: mailto:andy@servocomm.freeserve.co.uk
LA HÉLICE EÓLICA
El primer requerimiento fue construir una
matríz para el molde. Un programa fue escrito para generar plantillas de
secciones para hacer la matriz. El programa usado está disponible, si
usted desea intentarlo, en: . BladeCalc
CONSTRUYENDO EL GALIBO PARA EL ROTOR
Aquí está el galibo ensamblado... Que se muestra más abajo.
La sección fue impresa en una impresora laser en papel A4.
Esta fue extendida encima de una chapa y pinchado a través de la chapa
de 4mm.
El recorte se hizo con una sierra, s embargo se puede usar una
sierra de calar o ¿coping saw?
Después de alguna práctica con estas herramientas, se requiere un poco de
limpieza.
El próximo paso es colocar las planchas...
MANERA DE ENTABLAR
Las tablas de la parte de abajo han sido acostadas. Y el entablonado
está en vía de ejecución en la superficie superior.
Advierta las costillas que sirven de apoyo para las tablas
superiores. Usando las plantillas como una guía, las costillas han sido confeccionadas en su tamaño correcto.
Como la intención fue construir una matriz para molde, usé tablas
o chapas de balsa de 3mm, sin
embargo el sistema podría usarse para producir una hélice de rotor usando un
enchapado tipo construcción naval o una madera como el pino spruce (abeto).
El “borde de flujo”( parte opuesta al borde de ataque) ha sido
lijado para permitir el ajuste de la parte superior de las plantillas. Esto deja
el borde de flujo muy blando, sin embargo se debería endurecer cuando la
cubierta de fibra de vidrio sea aplicada.
HÉLICE Y CUBO FORRADOS
La matriz de la hélice o pala
ha sido forrada con fibra de vidrio. Un regatón o punta redondeado ha
sido añadido, diseñado para reducir el ruido en la punta debido a la
turbulencia de la punta. Después del forrado, las plantillas fueron aplicadas y
llenada y terminada la envoltura. En el fondo se puede ver el cubo o centro del
rotor. Este será unido a la pala y añadido
a una tira o tapajuntas liso. No obstante, es más fácil trabajar en las dos
partes separadamente así planee conseguir un buen acabado del aspa antes de
unir las partes.
http://www.servocomm.freeserve.co.uk/Windpower/windrotor1/uber_frame.htm
hub part
UNIENDO EL CUBO Y LA MATRIZ DEL ASPA
El aspa ha sido unida al cubo y añadido una generosa banda o tira.
La unión entre las dos mitades ha sido terminada, así, únicamente
un molde de dos partes es requerido. El cubo ha sido lijado para conseguir una
suave curva entre el cubo y el aspa.
Ahora el proceso de pintado y modelado aerodinámico debe continuar
hasta lograr un pulido altamente fino.
PREPARANDO EL VACIADO DEL MOLDE
Aquí vemos la pulida matriz lista para hacer el vaciado del molde.
MOLDE TERMINADO
Las dos mitades del molde están listas para vaciar las palas o
aspas del rotor.
MÁS
INFORMACIÓN Y NUEVOS ENLACES
Traducción,
compaginación y edición: Jorge East.
Octubre
de 2002.