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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

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“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE

AEROGENERADOR RURAL DE BAJA TENSIÓN”

TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO PRESENTAN:

CRUZ RAMOS JAIME MARTIN N A V A S U Á R E Z A L E J A N D R O

MÉXICO D. F. 2008




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ÍNDICE

INTRODUCCIÓN…………………………...…..……………………..………………1

JUSTIFICACIÓN…………………...…………..…………………….………….…….2

OBJETIVO GENERAL..................................................................................................3

OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………….……...…….……….…...3

CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES HISTORICOS………………...……………...…4

1.1ENERGÍAS NO RENOVABLES………………………………..…………………..6

1.2. ENERGÍAS RENOVABLES……………………………………….………………7

1.2.1 Energía solar……………………………………………………….………….…7

1.2.2 Energía hidráulica……………………………………………………….…..….7

1.2.3 Energía geotérmica………………………………………….……………….....8

1.2.4 Energía procedente de la biomasa…………………………………..…..............8

1.2.5 Energía eólica……………………………………………………………….…..8

1.3. ENERGÍA EÓLICA………………………………………………………………...9

1.3.1. Funcionamiento………………………………………………………...............9

1.4. HISTORIA…………………………………………………………..……………..15

1.4.1 Los orígenes……………………………………………………..……………...15

1.4.2 La energía eólica en la producción de electricidad……………………….……15

1.4.3 Potencia…………………………………………………………………….....17

1.4.4 Ventajas e inconvenientes……………………………………………………..18

1.4.4.1 Ventajas de la energía eólica…………………………………….....……18

1.4.4.2 Inconvenientes de la energía eólica…………………………………..….19




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CAPITULO 2. DISEÑO Y CÁLCULO SIMPLIFICADO DEL AEROGENERADOR....20

2.1 AREA FRONTAL BARRIDA POR LA PALA………………………………..….22

2.1.1 DIÁMETRO DEL ROTOR………………………………………………………23

2.2 ACOPLAMIENTO ROTOR EOLICO-GENERADOR ELÉCTRICO…………...23

2.2.1 Solidez y nº de palas………………………...……………………………......24

2.2.2 Perfil de la pala……………………………………………...………….….…25

2.2.3 Cálculo del coeficiente ascensional Cy máximo………………………..……26

2.2.4 Longitud L de la cuerda……………………………………………….….….27

2.2.5 Relación R/L de la pala........…….…………………………………….….....27

2.2.6 Corrección del ángulo de incidencia α………………………………...….…28

2.2.7 Ángulo de inclinación β……………………………………………......…...28

CAPÍTULO 3. MONTAJE Y OPERACIÓN DEL AEROGENERADO..………..29

3.1 MARCO TEÓRICO BÁSICO……………………………………………………...31

3.1.1 Lista de materiales…………………………………………………………....31

3.2. BOBINAS…………………………………………………………………...….…36

3.3 CONSTRUCCIÓN DEL ESTATOR……………………………………………...37

3.4 CONSTRUCCION DEL ROTOR……………………………………………...….41

3.5 CONSTRUCCION DEL ESTATOR-ROTOR (PRIMERA PARTE)….………....43

3.6 CABLEADO ELECTRICO…………………………………………………….….45

3.7 CONSTRUCCIÓN DE ESTATOR-ROTOR (SEGUNDA PARTE)……………...48

3.8 VELETA OSCILATORIA Y SOPORTE………………………………………….51

3.9 ASPAS……………………………………………………………………….…......54

3.10 TORRE………………………………………………………….……….……......57

CAPITULO 4. COSTOS Y BENEFICIOS……………………...............................58

4.1 COSTOS……………………………………………...............................................60




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4.2 BENEFICIOS……………………………………………………………..…….....60

CAPITULO 5. RESULTADOS OBTENIDOS………………………………...…...62

5.1 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS AEROGENERADORES EOLICOS………...64

CONCLUSIONES…………………..………………………………………………...67

ANEXO……………………………………………………………………………...…70

BIBLIOGRAFÍA………………………..………………………………………….....76




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INTRODUCCIÓN

Uno de los grandes problemas del Mundo de hoy es el referente a la energía, el uso de

esta energía no alcanza un nivel satisfactorio, porque la mayoría de la energía que se usa

en el planeta es de origen no renovable, sea esta de origen mineral, atómico, termal o

hidroeléctrica. La energía puede usarse de una manera más civilizada y menos costosa,

de fuentes renovables como la Energía Eólica, Energía Solar, de las Mareas, Geotérmica

y de otras más. El uso de la Energía Eólica, como todas las fuentes de energía, poseen

ciertas ventajas y desventajas, pero en su conjunto, el resultado es aceptable. Además,

este tipo de energía es de fuente renovable, posee una cierta diferencia respecto a los

otros, puede usarse como fuente de energía para las poblaciones pequeñas dónde no hay

un acceso directo de energía convencional, y tampoco necesita de grandes inversiones.

Esta última ventaja puede ser una ventaja para las personas que quieren preparar un

propio módulo de energía en sus casas y no necesitar de las compañías eléctricas, como

en el caso de fuentes de energía convencional, dónde si hay un enorme y costoso gasto

de energía. El perfeccionamiento del molino de viento tradicional ha dado lugar a

modernos aeromotores que aprovechan la energía eólica para generar electricidad. Estos

aeromotores pueden instalarse aislados o bien en agrupaciones que aportan energía a las

redes de distribución. Sin embargo, el viento tiene dos características que lo diferencia

de otras fuentes energéticas: su imprevisible variabilidad y su dispersión. Ello obliga a

perfeccionamientos en el diseño de las palas y el sistema de control que regula las

revoluciones por minuto, para evitar velocidades, excesivas durante los vendavales y

orientar el rotor hacia la posición más favorable. La fuente de energía eólica es el

viento, o mejor dicho, la energía mecánica que, en forma de energía cinética transporta

el aire en movimiento. El viento es originado por el desigual calentamiento de la

superficie de nuestro planeta, originando movimientos conectivos de la masa

atmosférica. Al hablar de un aerogenerador, lo primero que se nos viene a la mente es

que es una máquina, algunas de las veces quizás sea que desconocemos para que sirve o

en realidad que es. Aún más en las comunidades rurales se desconoce que el viento es la

fuerza para generar energía y que con el uso de un aerogenerador se puede captar este

viento y obtener energía eólica que transformada nos dará energía eléctrica.

Pretendemos que con este trabajo se pueda llegar a comprender la situación en la que

nos hemos encontrado ya hace varios años no depender de solamente de la energía que

nos es proporcionada por combustibles o por las centrales hidroeléctricas. Es cierto que

no en todos los lugares de México el rendimiento del aerogenerador propuesto

funcionaría en forma satisfactoria, pero tal vez si el lector hiciera innovaciones en

cuanto a las condiciones en las que se encuentra seguro funcionaria. Hay que aclarar

que el aerogenerador propuesto esta destinado al uso rural, en el cual no se necesita un

consumo exagerado de energía, simplemente la energía que se genera en el medio rural

puede ser utilizada en bombas de agua, molinos de semillas o granos, entre otras

actividades relacionadas con el medio rural.




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JUSTIFICACIÓN

Es necesario el uso de energías alternativas en el medio rural, esto porque hay muchas

poblaciones de México en las que la electrificación aun no ha llegado.

El medio rural ha sido abandonado, no ha tenido mucho apoyo, por lo que por medio de

este trabajo queremos dar una guía de cómo utilizar la energía eólica.

Es cierto que para la construcción de un aerogenerador debe hacerse una inversión

inicial, pero después uno se podrá dar cuenta que es una buena inversión, porque el

mantenimiento es sencillo y porque trabajaría con una fuente inagotable como lo es el

aire y que además es limpia y no contamina.

Por lo que creemos que este trabajo será con base para que la gente del campo aplique el

uso de energía de un aerogenerador, con la cual podrá realizar algunas actividades.

Se pretende el planteamiento para construir un aerogenerador de baja tensión utilizando

componentes usados como el eje delantero de un automóvil y algunos de forma práctica

como hélices de madera, bobina, etc.




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OBJETIVO GENERAL

Diseñar y manufacturar un pequeño aerogenerador para comunidades rurales.

Utilizando materiales, piezas comerciales, equipo de ensamblaje y construcción

disponibles en cualquier lugar de México. Con el fin de crear un sistema de generación

de energía eléctrica barata y confiable.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Aplicar conocimientos técnicos, prácticos y sencillos en la fabricación del

aerogenerador, para así obtener energía eléctrica de forma renovable.

Reducir el costo de la electricidad en medios rurales.

Reemplazar los medios contaminantes por no contaminantes y renovables.

Aportar y aplicar los conocimientos, para generar nuestra propia energía y no

depender de grandes empresas para ello.

Concientizar a la gente, de que si se contamina el planeta nos afecta y que hay

medios no contaminantes para satisfacer nuestras necesidades.




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CAPITULO 1

ANTECEDENTES HISTORICOS.




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1.1. ENERGÍAS NO RENOVABLES

1.2. ENERGÍAS RENOVABLES

1.2.1 Energía solar:

1.2.2 Energía hidráulica:

1.2.3 Energía geotérmica:

1.2.4 Energía procedente de la biomasa:

1.2.5 Energía eólica:

1.3. ENERGÍA EÓLICA

1.3.1. Funcionamiento

1.4. HISTORIA

1.4.1 Los orígenes

1.4.2 La energía eólica en la generación de electricidad

1.4.3 Potencia

1.4.4 Ventajas e inconvenientes

1.4.4.1 Ventajas de la energía eólica

1.4.4.2 Inconvenientes de la energía eólica




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CAPITULO 1. ANTECEDENTES HISTORICOS.

1.1. ENERGÍAS NO RENOVABLES

Las energías no renovables son aquellas que se generan con la combustión de reservas

fósiles y se agotan con el paso del tiempo (petróleo, carbón y gas natural).

Combustibles fósiles: los restos de frondosos bosques, grandes animales muertos y

materia orgánica, como algas, esporas y plantas acuáticas, acumulados durante millones

de años bajo grandes capas de tierra a altas presiones y temperaturas. La energía se

define de forma general como toda causa capaz de producir un trabajo, y su

manifestación es precisamente la realización de su virtualidad.

El trabajo se produce al desplazarse una fuerza. Por ejemplo, si elevamos una masa

tenemos que aplicar una fuerza durante todo el recorrido. Así, habremos hecho un

trabajo que quedara almacenado en la posición que ocupa ahora la masa.

Como principio general de la naturaleza se establece que la energía no se crea ni se

destruye, solamente se transforma. Por tanto, no tiene verdadero sentido hablar de

energía consumida, y cuando así se expresa solo se quiere decir energía utilizada para

obtener otra forma de energía.

a) Carbón: se ha formado en medio ácido y saturado de agua, a partir principalmente de

materia vegetal, dando lugar primeramente a turba, que después se ha transformado en

carbón. Es el combustible fósil mas abundante y ampliamente distribuido sobre la

Tierra. Se caracteriza por su contenido en azufre.

b) Petróleo y gas natural: las formaciones de petróleo y gas natural van asociadas. El

material de origen es un sedimento marino o de grandes lagos, acumulado a gran

profundidad y a gran temperatura. Esto hace que se inicien procesos químicos de

descomposición, que dan como resultado la producción de gas natural (metano) y dejan

como residuo el petróleo.

- Energía nuclear: la energía nuclear es aquella que resulta del aprovechamiento de la

capacidad que tienen algunos isótopos de ciertos elementos químicos para experimentar

reacciones nucleares y emitir energía en la transformación.

Estas fuentes de energía fósil no son renovables, se crearon hace millones de años y su

utilización lleva, antes o después, a su agotamiento.




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1.2. ENERGÍAS RENOVABLES

Las energías renovables son aquellas que se producen de forma continua y son

inagotables a escala humana.

Son fuentes de abastecimiento energético respetuosas con el medio ambiente. Lo que no

significa que no ocasionen efectos negativos sobre el entorno, pero éstos son

infinitamente menores si los comparamos con los impactos ambientales de las energías

convencionales (combustibles fósiles: petróleo, gas y carbón; energía nuclear, etc.) y

además son casi siempre reversibles.

Como ventajas medioambientales importantes podemos destacar la no emisión de gases

contaminantes y la no generación de residuos peligrosos de difícil tratamiento y que

suponen durante generaciones una amenaza para el medio ambiente como los residuos

radiactivos relacionados con el uso de la energía nuclear.

Las energías renovables comprenden: la energía solar, la eólica, la geotérmica, la

hidráulica y la procedente de la biomasa:

1.2.1 Energía solar:

La energía solar se fundamenta en el aprovechamiento de la radiación solar para la

obtención de energía que podemos aprovechar directamente en forma de calor o bien

podemos convertir en electricidad. Esta energía puede transformarse en eléctrica, bien

directamente (mediante células fotovoltaicas) o bien de forma indirecta (a través de

sistemas térmicos de concentración, utilizados para producir vapor que moverá las

turbinas generadoras).

1.2.2 Energía hidráulica:

La energía hidráulica tiene su origen en el "ciclo del agua", generado por el Sol, al

evaporar las aguas de los mares, lagos, etc. Esta agua cae en forma de lluvia y nieve

sobre la Tierra y vuelve hasta el mar, donde el ciclo se reinicia. La energía hidráulica se

obtiene a partir de la energía potencial asociada a los saltos de agua y a la diferencia de

alturas entre dos puntos del curso de un río. Las centrales hidroeléctricas transforman

en energía eléctrica el movimiento de las turbinas que se genera al precipitar una masa

de agua entre dos puntos a diferente altura y, por tanto a gran velocidad.




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1.2.3 Energía geotérmica:

Se llama energía geotérmica a la que se encuentra en el interior de la tierra en forma de

calor, como resultado de la desintegración de elementos radiactivos y de calor

permanente que se originó en los primeros momentos de formación del planeta. Esta

energía se manifiesta por medio de procesos geológicos como volcanes en sus fases

póstumas, los géiseres que expulsan agua caliente y las aguas termales.

1.2.4 Energía procedente de la biomasa:

La vegetación empleada para generar energía puede llegar a ser uno de los combustibles

más importantes en el futuro. Una gran variedad de desechos agrícolas y madereros y de

cultivos energéticos, pueden transformarse para suministrar una gama de combustibles

para el transporte, o pueden ser quemados para generar electricidad. Un ejemplo de esto

es la conversión de las astillas de madera en un gas rico en metano. Al igual que los

combustibles fósiles, este gas puede quemarse en centrales eléctricas eficientes que

maximicen el contenido energético del combustible, generando electricidad al mismo

tiempo que utilizan el calor sobrante.

La combustión de la biomasa es contaminante. En el caso de la incineración de basuras,

la combustión emite a la atmósfera contaminante, algunos de ellos cancerígenos, como

las dioxinas. El reciclaje y la reutilización de los residuos permitirán mejorar el medio

ambiente, ahorrando importantes cantidades de energía y de materias primas, a la vez

que se trata de suprimir la generación de residuos tóxicos y de reducir los envases.

La obtención de biogás en digestores a partir de residuos ganaderos reducirá las

emisiones de metano, y debe ser promocionada, con el fin de reducir la contaminación,

obtener fertilizantes y producir energía.

1.2.5 Energía eólica:

La energía eólica no contamina, es inagotable y frena el agotamiento de combustibles

fósiles contribuyendo a evitar el cambio climático. Es una tecnología de

aprovechamiento totalmente madura y puesta a punto.

Es una de las fuentes más baratas, puede competir en rentabilidad con otras fuentes

energéticas tradicionales, como las centrales térmicas de carbón, las centrales de

combustible e incluso con la energía nuclear.

Evita la contaminación que conlleva el transporte de los combustibles; gas, petróleo,

gasoil, carbón. Reduce el intenso tráfico marítimo y terrestre cerca de las centrales.

Suprime los riesgos de accidentes durante estos transportes: desastres con petroleros

(traslados de residuos nucleares, etc.). No hace necesaria la instalación de líneas de

abastecimiento: canalizaciones a las refinerías o las centrales de gas.

Al contrario de lo que puede ocurrir con las energías convencionales, la energía eólica

no produce ningún tipo de alteración sobre los acuíferos ni por consumo, ni por




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contaminación por residuos o vertidos. La generación de electricidad a partir del viento

no produce gases tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni destruye la capa de

ozono, tampoco crea lluvia ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni

residuos contaminantes.

1.3. ENERGÍA EÓLICA

1.3.1. Funcionamiento

La energía eólica se transforma en energía eléctrica mediante un aerogenerador que es

un generador de electricidad activado por la acción del viento.

Éstos se dividen en dos grupos: los de eje horizontal y los de eje vertical. El

aerogenerador de eje horizontal, considerado el más eficiente, es, con diferencia, el más

empleado en la actualidad.

Las turbinas extraen la energía del viento utilizando una tecnología que se asemeja a la

de los aviones o helicópteros. Los sistemas principales de un aerogenerador son:

Sistema de captación.

Rotor: Incluye el buje y las palas (por lo general tres).

Palas: Elementos que capturan el viento y transmiten su potencia hacia

el buje. Pueden ser de:

Paso variable: aquellas que capturan en todo momento la energía

del viento. La reducción de la potencia mecánica suministrada al

generador la controla mediante modificación del ángulo de pala.

Paso fijo: este tipo de palas no dispone de modificación de ángulo

de pala, por lo que cuando el viento supera un margen, es

necesario un sistema que limite el empuje mecánico del viento al

generador. Esta limitación se consigue con la entrada en pérdida

aerodinámica a partir de cierta velocidad de viento (aprox. 15

m/s), provocando turbulencias en el flujo de aire, reduciendo así

el par suministrado al eje lento.

Buje: Une las palas solidarias al eje lento. Está acoplado al eje de baja

velocidad del aerogenerador.




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Sistema de transmisión.

Eje lento. El eje de baja velocidad del aerogenerador conecta el buje del

rotor al multiplicador. Por el interior del eje, discurren conductos del

sistema hidráulico o eléctrico, para accionar los frenos aerodinámicos,

paso variable o controlar los censores del rotor.

Multiplicador. Por una entrada se encuentra el eje de baja velocidad, y

mediante unos engranajes, consigue que el eje de salida, de alta

velocidad, gire más rápido (entre 79 y 50 veces más rápido),

dependiendo de la potencia de la turbina.

Eje de alta velocidad. Gira aproximadamente a 1.500 revoluciones por

minuto (r.p.m.), lo que permite el funcionamiento del generador

eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia.

Sistema de orientación.

Motores de giro. En las turbinas eólicas grandes, es necesario un

mecanismo que posicione la turbina frente al viento. Este movimiento

circular, se consigue con unos motores y reductores fijos a la góndola, y

engranando en un dentado de la parte superior de la torre, llamada corona

de orientación. La señal de posicionamiento correcta la recibe del

controlador de la turbina, con las lecturas de la veleta y anemómetro

instaladas en cada turbina.

Freno en orientación. Tienen como misión evitar desplazamientos

radiales de la góndola, por efecto del viento incidente o giro del rotor, no

deseados. Asimismo, reducen el desgaste de los engranajes de

orientación. Su accionamiento puede ser hidráulico o eléctrico, actuando

en pinzas de freno o motor eléctrico respectivamente.




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Sistema de generación.

Generador eléctrico. Son los elementos de la turbina encargados de

convertir la energía mecánica (en forma rotatoria), en energía eléctrica.

La electricidad producida en el generador baja por unos cables a la base

de la torre, para ser transformada (elevar la tensión y reducir intensidad)

y enviada a la red.

Cableado de potencia. Transporta la energía eléctrica generada desde el

alternador hasta el transformador fuste, pasando por las distintas

protecciones de máxima o mínima tensión, sobre intensidad o frecuencia;

evitando daños a la red o a la propia turbina en caso de producirse

contingencias en el aerogenerador o red de distribución.

Transformador interno. Se eleva la tensión de generación desde los 690,

hasta 20 KV, reduciendo la intensidad para disminuir el calentamiento de

cableado y reducir pérdidas eléctricas.

Sistema de control.

Controlador de turbina. El controlador de la turbina eólica consta de

varios ordenadores que continuamente supervisan las condiciones de la

turbina eólica, y recogen estadísticas de su funcionamiento. Como su

propio nombre indica, el controlador también controla un gran número

de interruptores, bombas hidráulicas, válvulas y motores dentro de la

turbina.

Sensores de control. Se utilizan para medir los parámetros físicos de

funcionamiento y supervisión de la turbina. Las señales electrónicas son

utilizadas por el controlador electrónico del aerogenerador para conectar

el aerogenerador cuando la señal recibida es correcta. El ordenador

parará el aerogenerador automáticamente si la información recibida de

los censores es errónea, con el fin de proteger a la turbina.

Salidas de control y regulación. Desde el controlador de turbina, en base

a la información analizada de los censores, salen unas órdenes que

afectan a la operación y funcionamiento del aerogenerador.




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Sistema de soporte.

Torre. Soporta la góndola y el rotor. Puede ser tubular o de celosía (estas

últimas, aunque más baratas, están en desuso ya que las tubulares son

mucho más seguras). Tienen varios tramos para facilitar el transporte. La

unión de los distintos tramos se realiza mediante pernos en las bridas de

unión.

Zapata o cimentación. Es la parte que permite el asegurar la torre

vertical, absorber los esfuerzos de rotor y góndola y transmitirlos

correctamente al terreno. Se calcula en base al tipo de suelo y al tamaño

del aerogenerador a instalar.

Sistema hidráulico.

Grupo de presión. Se encarga de suministrar fluido hidráulico a una

presión determinada para permitir el accionamiento de sistemas de

captación, orientación o transmisión.

Conductos hidráulicos. Canalizan el fluido hidráulico hasta el punto de

utilización.

Válvulas de control. Adaptan la presión y caudal del fluido en base al

actuador a accionar.

Sistemas refrigeración.

Ventiladores. Funcionan a requerimiento del controlador para crear una

circulación de aire.

Intercambiadores de calor. Disipan el calor del componente a refrigerar

(generador, multiplicador o central hidráulica) hacia la corriente de aire

creada por los ventiladores.




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Arranque del aerogenerador.

Cuando la turbina detecta viento en cualquier dirección, por los sensores de velocidad

de viento (anemómetros de turbina), el controlador realiza las siguientes órdenes al

aerogenerador, a través de los motores correspondientes:

Entre 2 - 3 m/s. Envía la orden de posicionarse frente al viento. Esta

orden se denomina orientación de la turbina.

A partir de 3 m/s. La orden de desaplicar frenos para permitir el giro de

la turbina y comenzar a girar por el efecto únicamente del empuje del

viento.

Paso variable, además envía la consigna de posición de las palas

progresivamente 90º ® 0º.

Rpm=>1500. Al llegar a la velocidad de sincronismo del generador

solicitado (dependiendo del viento, se selecciona un generador u otro con

velocidades diferentes), se conecta el generador a red de forma suave,

contando para ello con electrónica de potencia mediante tiristores (un

tipo de interruptor continuo de semiconductor, que puede ser controlado

electrónicamente). Al realizar la conexión (dura entre 3 y 4 segundos), se

conecta directamente el generador a red, mediante un interruptor.

Conexión directa red. A partir de este momento, el generador queda

conectado directamente a la red eléctrica general, enviando la energía al

sistema nacional. La velocidad es constante y limitada únicamente por la

frecuencia de la red. Cuando el viento es fuerte, existe una limitación de

potencia en las palas al incrementar las turbulencias del flujo de aire.

Paso Variable. El control del aerogenerador se realiza mediante la

actuación en el ángulo de paso, capturando o limitando la potencia

extraída del viento. La velocidad de generación puede ser variable.

Las turbinas de doble devanado. Cuya finalidad es aprovechar la

intensidad del viento en sus diferentes rangos de velocidad.




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Parada del aerogenerador.

Puede ocurrir por los siguientes motivos:

Vientos altos. Cuando el viento supera un margen (>25 m/s ó 90 km/h), o

bien cuando un error es detectado en base a la lectura de los censores de

viento al controlador.

Error de funcionamiento. Se detecta un error de funcionamiento

mediante la información de censores.

Parada por poco viento. Se inicia la secuencia si se detecta poca

generación o vientos muy bajos.

Parada Manual. Se realiza bajo la supervisión del personal de operación

y mantenimiento.

La parada de turbina entra en los siguientes procedimientos:

Parada Suave.

Paso fijo. El controlador envía una orden al sistema de captación para

desplegar los aerofrenos, simultáneamente desconecta generador, revisa

la disminución de rpm y aplica frenos de forma suave. Al cabo de varios

segundos, aplica una presión de frenada cada vez mayor hasta conseguir

la detención total.

Paso Variable. La orden la envía a los actuadores del calaje palas (pitch)

aumentando los grados hasta los 90º. Simultáneamente desconecta el

generador y realiza de igual forma un incremento paulatino de presión en

el circuito secundario de frenada.

Parada de Emergencia. Se produce ante errores importantes, peligro

para personas o integridad de la turbina. Se aplican frenos con la máxima

presión desde el primer momento.

Cambio devanado generador. No se llega a realizar una parada, sólo una

disminución de velocidad de giro en el caso de pasar del generador

grande al pequeño. En el caso contrario, la turbina se desacopla y permite

el embalamiento con el viento hasta alcanzar la nueva velocidad de

sincronismo.




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1.4. HISTORIA

1.4.1 Los orígenes

Además de haber impulsado a los barcos en las rutas de los grandes descubrimientos, la

energía eólica ha sido una fuente de energía, utilizada a través de molinetes de viento

para moler grano, bombear agua y producir electricidad. En la actualidad, los molinetes

para la producción de electricidad (turbinas eólicas) han tenido un gran desarrollo

tecnológico y son ampliamente usados en muchas zonas de forma competitiva con otras

fuentes de electricidad.

1.4.2 La energía eólica en la generación de electricidad

La energía eólica ha sido sugerida en diversas ocasiones para el accionamiento de

dinamos, pero la adaptación de los molinos de viento a este uso parece haber sido un

problema cargado de dificultades a los que pocos se han atrevido a esforzarse por

resolverlo Pero entre esas pocas personas las cuales se han atrevido a investigar sobre

este tema, podemos citar, por ejemplo, a Charles F. Brush, que es el principal pionero

de la turbina eólica, del cual hablaremos seguidamente.

Charles F. Brush (1849-1929) es uno de los fundadores de la industria eléctrica

americana. Durante el invierno de 1887-88 Brush construyó la que hoy se cree es la

primera turbina eólica de funcionamiento automático para generación de electricidad.

Era un gigante la más grande del mundo con un diámetro de rotor de 17 m y 144 palas

fabricadas en madera de cedro. La turbina funcionó durante 20 años y cargó las baterías

en el sótano de su mansión. A pesar del tamaño de la turbina, el generador era

solamente un modelo de 12 kW. Esto se debe al hecho de que las turbinas eólicas de

giro lento del tipo americano de rosa de vientos no tienen una eficiencia media

particularmente alta. Fue el danés Poul la Cour quien más tarde descubrió que las

turbinas eólicas de giro rápido con pocas palas de rotor son más eficientes para la

producción de electricidad que aquéllas de giro lento.

Otra de las personas que tuvieron que ver en la evolución de esta energía se encuentra

Poul la Cour. Este ingeniero (1846-1908), tuvo originalmente una formación como

meteorólogo, fue el pionero de las modernas turbinas eólicas generadoras de

electricidad. Poul la Cour fue una de las personas más importantes en la moderna

aerodinámica, y construyó su propio túnel de viento para realizar experimentos. Este

profesor también publicó la primera revista de electricidad eólica del mundo. En 1918

unas 120 empresas públicas locales tenían un aerogenerador. Estas turbinas cubrían

alrededor de un 3 por ciento del consumo de electricidad de Dinamarca en aquel

momento. Sin embargo, el interés danés en la energía eólica decayó en los años

siguientes, aunque una crisis de suministro durante la Segunda Guerra Mundial hizo que

se afianzara.

De 1940 a 1950 destacan las turbinas de F.L. Smidth. Durante la segunda guerra

mundial, la compañía danesa de ingeniería F.L. Smidth construyó diversos

aerogeneradores bi y tripala. Todas estas máquinas (al igual que sus predecesoras)

generaban corriente alterna. Esta máquina F.L. Smidth tripala de la isla de Boge,




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fabricada en 1942, ya se parece más a una máquina "danesa".Formaba parte de un

sistema eólico-diesel que regía el suministro eléctrico de la isla. Probablemente hoy

discutiríamos el aspecto que tiene la torre de hormigón, pero está máquina jugaba un

papel realmente importante en el programa de estudio de la energía eólica en

Dinamarca. En 1951, el generador de CC fue sustituido por un generador asíncrono de

CA (corriente alterna), haciendo que esta segunda turbina generase así CA. En esos

años también destacó Johannes Juul, alumno de Poul la Cour, que llegó a ser un pionero

en el desarrollo de los primeros aerogeneradores en el mundo de corriente alterna en

Vester Egesborg, Dinamarca. Éste, también creo el innovador aerogenerador de Gedser

de 200 kW en 1956-57 para la compañía eléctrica SEAS . La turbina tripala con rotor a

barlovento, con orientación electromecánica y un generador asíncrono fue un diseño

pionero de los modernos aerogeneradores, aunque su rotor con cables de acero parezca

actualmente algo pasado de moda. La turbina disponía de regulación por pérdida

aerodinámica y Juul inventó los frenos aerodinámicos de emergencia en punta de pala,

que se sueltan por la fuerza centrífuga en caso de sobrevelocidad el cual hoy se sigue

utilizando en las modernas turbinas de regulación por pérdida aerodinámica. El

aerogenerador de Gedser fue reacondicionado en 1975 a petición de la NASA, que

quería resultados de medición de la turbina para el nuevo programa estadounidense de

energía eólica.

Después de la primera crisis del petróleo de 1973, muchos países despertaron su interés

en la energía eólica. En países de Europa y en EE.UU. las compañías de energía

dirigieron inmediatamente su atención a la construcción de grandes aerogeneradores.

En 1979 se construyeron dos aerogeneradores de 630 kW, uno con regulación por

cambio del ángulo de paso, y el otro de regulación por pérdida aerodinámica. En estos

años n carpintero, Christian Riisager, construyó sin embargo un pequeño aerogenerador

de 22 kW en su propio jardín utilizando el diseño del aerogenerador de Gedser como

punto de partida.

La turbina de Riisager resultó ser un éxito en muchas casas particulares de Dinamarca, y

su éxito proporcionó la inspiración para que los actuales fabricantes daneses de

aerogeneradores empezasen a diseñar sus propios aerogeneradores. Una excepción

importante a la regla de las máquinas pequeñas era la máquina Tvind de 2 MW, es una

máquina corriente abajo, con un diámetro de rotor de 54 m, girando a velocidad variable

con un generador síncrono y con una conexión indirecta a red utilizando electrónica de

potencia. Finalmente, versiones mejoradas de la clásica máquina tripala corriente arriba

del aerogenerador de Gedser resultaron ser los ganadores comerciales de esta

competición salvaje, aunque es verdad que no sin diversos naufragios, tanto mecánicos

como financieros.




- 21 -

1.4.3 Potencia

La potencia eléctrica suele medirse en watts (W), kilowatts (kW), megawatts (MW), etc.

La potencia es transferencia de energía por unidad de tiempo.

La potencia puede ser medida en cualquier instante de tiempo, mientras que la energía

debe ser medida durante un cierto periodo, p.ej. un segundo, una hora o un año. (Lea la

sección sobre energía si aún no lo ha hecho).

Que un aerogenerador tenga una potencia nominal (la que figura en la placa de

características) de 1000 kW, le indica que producirá 1000 kilovatios-hora (kWh) de

energía por hora de funcionamiento, cuando trabaje a rendimiento máximo (es decir,

con vientos de, digamos, más de 15 metros por segundo).

Que un país como Dinamarca tenga, digamos, 1000 MW de potencia eólica instalada no

le indica cuanta energía producen las turbinas. Los aerogeneradores estarán girando

normalmente durante el 75 por ciento de las horas de año, aunque sólo estarán

funcionando a la potencia nominal durante un número limitado de horas al año.

Para poder calcular cuanta energía producirán los aerogeneradores deberá conocer la

distribución de velocidades de viento para cada aerogenerador. En el caso de

Dinamarca, los aerogeneradores promedio devolverán 2.300 horas de funcionamiento a

plena carga por año. Para obtener la producción total de energía multiplica los 1000

MW de potencia instalada por las 2.300 horas de operación = 2.300.000 MWh = 2,3

TWh de energía (ó 2.300.000.000 de KWh).

En otras zonas, como Gales, Escocia o la parte occidental de Irlanda, probablemente

tenga alrededor de 3.000 horas o más de funcionamiento a plena carga. En Alemania la

cifra está cerca de 2.000 horas de funcionamiento a plena carga.

La potencia de los automóviles se indica a menudo en caballos de vapor (CV o HP) en

lugar de en kilowatts (kW). La palabra "caballo de vapor" puede proporcionarle una

idea intuitiva de que la potencia define que cantidad de "músculo" tiene un motor o un

generador, mientras que la energía le indica cuanto "trabajo" produce un generador o un

motor durante un cierto periodo de tiempo.




- 22 -

1.4.4 Ventajas e inconvenientes

1.4.4.1 Ventajas de la energía eólica

La energía eólica no contamina, es inagotable su uso y frena el agotamiento de

combustibles fósiles contribuyendo a evitar el cambio climático. Es una tecnología de

aprovechamiento totalmente madura y puesta a punto.

Es una de las fuentes más baratas, puede competir en rentabilidad con otras fuentes

energéticas tradicionales como las centrales térmicas de carbón (considerado

tradicionalmente como el combustible más barato), las centrales de combustible e

incluso con la energía nuclear, si se consideran los costes de reparar los daños

medioambientales.

El generar energía eléctrica sin que exista un proceso de combustión o una etapa de

transformación térmica supone, desde el punto de vista medioambiental, un

procedimiento muy favorable por ser limpio, exento de problemas de contaminación,

etc. Se suprimen radicalmente los impactos originados por los combustibles durante su

extracción, transformación, transporte y combustión, lo que beneficia la atmósfera, el

suelo, el agua, la fauna, la vegetación, etc.

Evita la contaminación que conlleva el transporte de los combustibles; gas, petróleo,

gasoil, carbón. Reduce el intenso tráfico marítimo y terrestre cerca de las centrales.

Suprime los riesgos de accidentes durante estos transportes: limpiezas y mareas negras

de petroleros, traslados de residuos nucleares, etc. No hace necesaria la instalación de

líneas de abastecimiento: Canalizaciones a las refinerías o las centrales de gas.

La utilización de la energía eólica para la generación de electricidad presenta nula

incidencia sobre las características fisicoquímicas del suelo o su erosionabilidad, ya que

no se produce ningún contaminante que incida sobre este medio, ni tampoco vertidos o

grandes movimientos de tierras.

Al contrario de lo que puede ocurrir con las energías convencionales, la energía eólica

no produce ningún tipo de alteración sobre los acuíferos ni por consumo, ni por

contaminación por residuos o vertidos. La generación de electricidad a partir del viento

no produce gases tóxicos, ni contribuye al efecto invernadero, ni destruye la capa de

ozono, tampoco crea lluvia ácida. No origina productos secundarios peligrosos ni

residuos contaminantes. Cada kW/h de electricidad generada por energía eólica en lugar

de carbón, evita:

0,60 Kg. de CO2, dióxido de carbono

1,33 gr. de SO2, dióxido de azufre

1,67 gr. de NOx, óxido de nitrógeno

La electricidad producida por un aerogenerador evita que se quemen diariamente miles

de litros de petróleo y miles de kilogramos de lignito negro en las centrales térmicas.

Ese mismo generador produce idéntica cantidad de energía que la obtenida por quemar




- 23 -

diariamente 1.000 Kg. de petróleo. Al no quemarse esos Kg. de carbón, se evita la

emisión de 4.109 Kg. de CO2 , lográndose un efecto similar al producido por 200

árboles. Se impide la emisión de 66 Kg. de dióxido de azufre -SO2- y de 10 Kg. de

óxido de nitrógeno principales causantes de la lluvia ácida.

La energía eólica es independiente de cualquier política o relación comercial, se obtiene

en forma mecánica y por tanto es directamente utilizable. En cuanto a su transformación

en electricidad, esta se realiza con un rendimiento excelente y no a través de aparatos

termodinámicos con un rendimiento de Carnot siempre pequeño.

1.4.4.2 Inconvenientes de la energía eólica

El aire al ser un fluido de pequeño peso específico, implica fabricar máquinas grandes y

en consecuencia caras. Su altura puede igualar a la de un edificio de diez o más plantas,

en tanto que la envergadura total de sus aspas alcanza la veintena de metros, lo cual

encarece su producción.

Desde el punto de vista estético, la energía eólica produce un impacto visual

inevitable, ya que por sus características precisa unos emplazamientos que normalmente

resultan ser los que más evidencian la presencia de las máquinas. En este sentido, la

implantación de la energía eólica a gran escala, puede producir una alteración clara

sobre el paisaje, que deberá ser evaluada en función de la situación previa existente en

el lugar donde se instale.

Un impacto negativo es el ruido producido por el giro del rotor, pero su efecto no es

mas acusado que el generado por una instalación de tipo industrial de similar entidad, y

siempre que estemos muy próximos a los molinos.

También ha de tenerse especial cuidado a la hora de seleccionar un parque si en las

inmediaciones habitan aves, por el riesgo mortandad al impactar con las palas, aunque

existen soluciones al respecto como pintar en colores llamativos las palas, situar los

molinos adecuadamente dejando “pasillos” a las aves, e, incluso en casos extremos

hacer un seguimiento de las aves por radar llegando a parar las turbinas para evitar las

colisiones.

Otro impacto es sobre la flora, ya que la ejecución de un parque eólico, implica

movimientos de tierra, creación de taludes y otras operaciones que inciden sobre la

flora, cabe minimizar este impacto procediendo con el máximo cuidado, evitando abrir

nuevos caminos, y, en la fase de restauración, repoblando la zona movida con las

especies que se encontraran antes del inicio de las obras.




- 24 -

CAPITULO 2.

DISEÑO Y CÁLCULO SIMPLIFICADO DEL

AEROGENERADOR




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2.1. ÁREA FRONTAL BARRIDA POR LA PALA.

2.1.1. DIÁMETRO DEL ROTOR

2.2. ACOPLAMIENTO ROTOR EOLICO-GENERADOR ELÉCTRICO

2.2.1 Solidez y nº de palas

2.2.2 Perfil de la pala

2.2.3 Cálculo del coeficiente ascensional Cy máximo

2.2.4 Longitud L de la cuerda.

2.2.5 Relación R/L de la pala.

2.2.6 Corrección del ángulo de incidencia .

2.2.7 Ángulo de inclinación .




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CAPITULO 2 DISEÑO Y CÁLCULO SIMPLIFICADO DEL

AEROGENERADOR

2.1. ÁREA FRONTAL BARRIDA POR LA PALA.

El área A barrida por el rotor y que éste presenta frontalmente al viento, es un

parámetro que se utiliza con cierta frecuencia en los cálculos de energía eólica.

Este área, para una hélice, es la superficie total barrida por las palas del rotor,

perpendicular a la dirección del viento.

Para un rotor de hélice, de eje horizontal, paralelo a la dirección del viento, y diámetro

d, el valor de A es,

El tamaño y dimensiones de un rotor eólico se determinan calculando, en primer lugar,

el área frontal A del mismo; para ello se le puede suponer como una máquina motriz, a

la que de antemano

se tiene que prefijar y asignar la energía que se desea genere; al mismo tiempo se

determina el promedio de energía que se puede obtener a partir de los recursos eólicos

del lugar donde se vaya a instalar la máquina eólica.

Conocidos estos datos energéticos, de máquina y de fuente energética, se igualan, y se

determina el área A barrida por el rotor, para así calcular la longitud de las palas.

El diseño de la máquina es relativamente sencillo, mientras que el estudio y elección de

un lugar con recursos eólicos puede ser más complicado, pudiéndose obtener resultados

muy ajustados entre la energía que se desea obtener y la energía del viento disponible y

necesaria para conseguirla.

Estos promedios de energía eólica necesarios Nutil, vienen dados por la ecuación:

Donde:

Nutil = potencia generada por el aerogenerador (kW)

Nviento = potencia entregada por el viento (kW)

= aerod, el rendimiento aerodinámico global del aerogenerador. Entre 20 y 35 %.

ρ = densidad del aire (kg/m3)

A = área de barrido de las palas (m2)

v = velocidad del viento (m/s)

Por lo que procedemos al cálculo del aerogenerador proponiendo que este genere 1 kW.




- 27 -

2.1.1. DIÁMETRO DEL ROTOR

Para calcular el diámetro del rotor, se iguala la potencia específica proporcionada por el

generador, a la potencia de salida del sistema a la velocidad máxima del viento; si se

supone que:

por lo que el diámetro es d= 5,25 m.

Tabla 2.1 Valores estimados de la eficiencia.

Si se aumenta el rendimiento a un 35%, para obtener la misma energía de 1 kW se

podría utilizar un rotor más pequeño, cuya superficie frontal fuese:

A = 15,2m2 ; d = 3,75m.

Un aumento de la velocidad del viento implica una disminución del diámetro de las

palas para obtener la misma potencia.

2.2. ACOPLAMIENTO ROTOR EOLICO-GENERADOR ELÉCTRICO

En el acoplamiento del rotor a un generador eléctrico, a través del multiplicador, hay

que tener en cuenta el número de rpm a que va a funcionar el generador. Si se

selecciona en el generador eléctrico una velocidad baja (p.e.) para una actividad como

puede ser la de cargar baterías), el rotor se puede poner a un número de revoluciones

que se corresponda con la velocidad máxima del viento. Si en nuestro ejemplo

suponemos que el generador requiere 300 rpm para generar la potencia de 1 kW y el

rotor funciona a estas 300 rpm, no es necesario colocar ningún tipo de multiplicador y

acoplamiento será directo; estas rpm se corresponden con un TSR (relación de

velocidad periférica) igual a:




- 28 -

que es un valor un poco elevado.

Si se pone un multiplicador de velocidades, con una relación, por ejemplo de 2/1, se

podría utilizar un rotor con una velocidad inferior, 150 rpm, reduciendo el TSR a 6,17

que es un valor mucho más apropiado.

Si lo que se desea accionar es un generador eléctrico, éste requiere una velocidad

sincrónica a un número de rpm constante por lo que ésta vendrá perfectamente

determinada en función de la frecuencia de la energía eléctrica a obtener y del número

de pares de polos del mismo, de la forma:

Para 2 pares de polos, n= 1500 rpm, lo que implicaría una multiplicación de 5/1

funcionando elrotor a 300 rpm.

Un aumento del número de pares de polos disminuye este factor de multiplicación.

2.2.1 Solidez y nº de palas

Una vez seleccionada la relación de multiplicación del acoplamiento rotor-generador y

por tanto del TSR se determina la solidez por lo que la solidez del rotor se puede

interpretar como la relación entre el área geométrica de la pala) mediante la gráfica de

la Fig II,1, y el número Z de palas según la Tabla 2.2.

Tabla 2.2- Número de palas en función del TSR

Fig. 2.1.- Relación entre el coeficiente de solidez y el TSR




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Deduciéndose que para un TSR= 6, la solidez tiene que ser del orden de un 5% y el

rotor tripala. Sin embargo, el número de palas de un aerogenerador no es de gran

importancia en su actuación, por cuanto sus criterios de selección son más bien

económicos, ya que a más palas mayor coste; a mayor número de palas mayor par de

arranque.

2.2.2 Perfil de la pala

Interesan perfiles con altos valores de D/L, del orden de 60, para Cy próximo a la

unidad; el espesor del perfil disminuye desde el entronque con el cubo a la periferia;

cuando el espesor del perfil aumenta, disminuye la relación D/L, y el perfil transmite

menos fuerza al rotor. Como los perfiles gruesos, por razones estructurales, deben estar

más próximos al cubo, producen muy poco par, y por ello pueden suprimirse en esa

zona; concretamente, en el 10% ó 15% de la pala próximo al cubo no es necesario poner

perfiles aerodinámicos; en la periferia de las palas, éstas nunca deben superar espesores

del 18%.

Para perfilar una pala se procede en primer lugar a hacer un esquema de la misma, Fig

2.2, dividiéndola en varias secciones, calculando la relación de velocidades SR

correspondiente a cada una de ellas:

Fig. 2.2.- División de una pala de eolostato

En este procedimiento se han utilizado tres secciones, aunque en la práctica suele

dividirse la pala en 10 o más partes.

Valores de

Teniendo en cuenta las gráficas de las Fig. 2.4 y 2.5, se determinan el ángulo y un

parámetro de forma (SP) a partir del SR, en la forma que se indica a continuación:




- 30 -

2.2.3 Cálculo del coeficiente ascensional Cy máximo Una vez elegido el tipo de perfil y determinado el coeficiente Cy que se obtiene de su

polar, se determina la longitud L de la cuerda; para el perfil FX60-126 de la fig. 2.3, el

máximo valor de Cy = 1,08 se tiene para una relación:

Fig. 2.3 Coeficientes de arrastre y de sustentación del perfil FX60-126

Así como el ángulo de ataque correspondiente, = 5°

Fig. 2.4 Valores de en función del SR




- 31 -

Fig. 2.5 Valores del parámetro de forma SP en función del SR

2.2.4 Longitud L de la cuerda.

Para cada distancia radial r se calcula la longitud L de la cuerda mediante la expresión:

siendo Z el número de palas.

Las longitudes de las cuerdas correspondientes a las diversas secciones son:

2.2.5 Relación R/L de la pala.

La relación L entre la envergadura de la pala (su longitud) dada por su radio máximo

R y el promedio de las longitudes de las cuerdas en las distintas secciones consideradas:

Permite obtener para el radio máximo, R= 2,625 m, el valor,

que sirve para corregir el ángulo de incidencia .




- 32 -

2.2.6 Corrección del ángulo de incidencia .

El ajuste del ángulo de ataque para un valor óptimo de la relación Cy/Cx se hace

mediante la siguiente ecuación empírica,

que en primera aproximación es constante para todas las cuerdas, tomando el valor

promediado L obtenido anteriormente para las mismas.

Se puede calcular con mayor precisión tomando para cada distancia la cuerda

correspondiente, y tratando a cada sección como un caso particular.

2.3.7 Ángulo de inclinación .

Un factor importante en el diseño de superficies alabeadas es determinar la torsión de la

pala que se proyecta de forma que su ángulo de no sea constante, es decir, tiene que

existir una variación de dicho ángulo a lo largo del perfil, con el fin de subsanar el

hecho de que para diversos radios a lo largo de la pala, la velocidad del viento a la

salida uviento varía con la distancia al eje de giro, lo que hace que el ángulo no sea

constante en cada sección del perfil. El ángulo se llama también torsión y se

determina mediante la corrección del ángulo de ataque , obteniéndose para cada

sección transversal la inclinación de las diferentes cuerdas de la pala, para cada

distancia r al eje de giro, mediante la ecuación, , en la forma:

T = 6,3º - 7,68º = - 1,38º; A = 7,3º - 7,68º = - 0,38º

B = 16º - 7,68º = + 8,32º; C = 28º - 7,68º = + 20,32º

Que determinan el ángulo que forma la cuerda en cada sección del perfil de la pala,

respecto al plano de rotación.

Estos ángulos encontrados en el diseño se generalizan en la construcción, de acuerdo a

la distancia de la pala, en el calculo propusimos una velocidad de 24 km/h, para obtener

1KW de generación de electricidad, en este caso debemos hacer una aclaración, para

poder realizar este proyecto lo mas viable posible usamos como estator discos de freno

de automóviles y adaptamos las palas a este tamaño con un radio de 1.5m, esto nos

disminuía mucho la energía a generar, para obtener un poco mas de 700 watts usamos

24 imanes y las rachas de viento de 40 a 50 km/h.

Aclarando otra cuestión, en la construcción y ensamble las medidas que proponemos

están en pulgadas, ya que debido a que en cualquier lugar de México donde se compre

el material esas son las unidades que se usan.




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CAPITULO 3.

CONSTRUCCIÓN Y ENSAMBLE DEL

AEROGENERADOR.




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3.1. MARCO TEÓRICO BÁSICO.

3.1.1 LISTA DE MATERIALES

3.2. BOBINAS.

3.3 CONSTRUCCIÓN DEL ESTATOR.

3.4 CONSTRUCCIÓN DEL ROTOR

3.5. CONSTRUCCIÓN DE ESTATOR-ROTOR (PRIMERA PARTE).

3.6. CABLEADO ELÉCTRICO.

3.7 CONSTRUCCIÓN DE ESTATOR-ROTOR (SEGUNDA PARTE).

3.8 VELETA OSCILATORIA Y SOPORTE

3.9 ASPAS

3.10 TORRE




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CAPITULO 3. CONSTRUCCIÓN Y ENSAMBLE DEL AEROGENERADOR.

Antes de empezar, al realizar el aerogenerador es bueno que sepa que obtendrá unos 700

watts con vientos de aproximadamente 50 km/h y unos 500 watts con vientos de

aproximadamente 40 km/h. Como el mantenimiento de este generador es prácticamente

nulo, se puede comparar cuánto le puede costar un generador usado de una capacidad

parecida al nuestro tanto en combustible como en mantenimiento en un plazo de dos o

tres años. La turbina gira suavemente y debe comenzar a generar electricidad con

vientos de 10 km/h. Todas las turbinas eólicas giran libremente, cargan a bajas

velocidades de viento y parecen ser seguras y robustas. Es sólo cuestión de que pase

tiempo para averiguar su durabilidad, aunque sus rodamientos, que son sus únicas

piezas críticas, están fabricados para esfuerzos muchísimo mayores de los que

anticipamos que estas turbinas tolerarán.

3.1. MARCO TEÓRICO BÁSICO.

3.1.1 LISTA DE MATERIALES

1. 80 pulgadas (2.032 m) de barra roscada de ½” (1.27 cm ) –13

2. 10 pulgadas (0.254 m) de barra roscada de ¼”(0.635cm) – 20

3. 44 tuercas de 1/2” (1.27 cm) – 13

4. 2 tuercas de 1/4” (0.635 cm ) - 20

5. 1 arandela de 2”x ½”(5.08 cm X 1.25cm ) de diámetro

6. 6 ft (1.8288 m) de tubo de ¾”(1.905 cm)

7. 6,5 ft (1.9812 m) de tubo de 1” (2.54 cm)

8. 2 ft (5.08 cm) de barra de acero de 2” x 3/16” ( 5.08 cm X 0.47625 cm )

9. (0.9144 m ó 1.219m) de barra de acero de 1”x1/8” ( 2.54 cm x 0.3175 cm)

10. Una lámina de madera de 6 ft (1.8288 m ) de largo por uno de ancho de 3/8”

(0.9525 cm)

11. Tres láminas de madera de 6 ft (1.82878 m) de largo por uno de ancho de

¾”(1.905 cm)

12. Un pedazo de madera de ¼”(0.635 cm) y otras sobras de madera para construir

el formador de bobinas.

13. Un litro de resina, catalizador y alguna fibra de vidrio

14. Un envase de talco

15. Dos tubos de goma de cementación rápida para endurecer las bobinas

16. 2 ½ Kg. de alambre de bobinar No. 14 AWG

17. 24 Imanes de NdFeB (Neodimio) de 2”(5.08 cm) de diámetro por ½”(1.27 cm)

de espesor

18. El tren de freno delantero (Incluyendo el tubo de base) de un automóvil de

tamaño mediano. (se recomienda visitar un deshuesadero de autos). No busque

piezas para reparar un vehículo, pues si los discos de freno están en buen estado

le puede resultar excesivamente costoso y usted no necesita discos de freno

nuevos).

19. 2 Discos de freno en mal estado de 11”(27.94 cm) de diámetro que calcen en la

punta de eje que compró.

20. 3 tablas de 5 ft (1.524 m) de largo, de 1 ½”(3.81 cm) de espesor y 7.5”(19.05

cm) de ancho para fabricar las aspas del molino. Por lo menos 60 tornillos de

madera de 1 ½” (3.81 cm) de largo.




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Como herramientas recomendamos las manuales y eléctricas para carpintería y

soldadura. Sí es muy necesario un buen desbastador de madera (aunque una escofina

grande es un buen reemplazo) para fabricar las aspas.

Foto 1

Estos son los discos de freno que emplearemos en nuestro proyecto, foto 1. La razón de

su diámetro es para disponer de más espacio para nuestros imanes, ya que usaremos

doce. Lo importante de los discos es que sus tornillos se ajusten a la base de la rueda. Se

trata de pulir una canal de algo más del diámetro de nuestros imanes en la cara del

disco, dejando un delgado labio (No más de ¼”(0.635cm)) en su perímetro. Este labio

nos ayuda a colocar los imanes exactamente concéntricos e impide que la fuerza

centrífuga los expulse de su sitio cuando el alternador gire a alta velocidad.

Diagrama 1

En este diagrama aparecen tres de las cinco barras roscadas de ½”(1.27 cm) x 13

(33.02cm) que unen el conjunto.




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Las bobinas van insertadas en el centro de los dos rotores a modo de sándwich. Como

los discos se fabricaron para ser ubicados al frente de la base de la rueda su agujero

central puede no ser la suficientemente grande para hacerla pasar y de allí la necesidad

de agrandarlo.

Foto 2

Foto 3

Esta fotografía 3 muestra las piezas que hemos cortado. Las tres pletinas están

colocadas unidas al centro, que es como finalmente irán al ser soldadas. Observe el

ángulo de 120 grados en el sitio de unión.




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En la foto se observa un corte sobre el metal. Se trata de un pedazo de tubo de

¾”(0.635cm) a una longitud de 5 ft (1.524 m), cinco pedazos de barra de ½”(1.27 cm) –

13, de 10 pulgadas (0.254 m) de largo, tres pedazos de barra de ½” –13, de 6 pulgadas

de largo, un pedazo de tubo de 0.635 cm de 1.8288 m de largo y un pedazo de tubo de

2.54 cm de 1.9812 m de largo. Necesitamos además tres pedazos de pletina (solera) de

17.78 cm de largo con un ángulo de 120 grados en un extremo. Con estas pletinas

fabricaremos el soporte del estator. Hay que ser cuidadosos con las roscas de la barra al

cortarla con segueta o sierra. Se ahorra tiempo. Es conveniente esmerilar sus extremos

para no tener dificultad en pasar una tuerca por ellas.

Foto 4

En la fotografía 4 se puede ver lo que nos ha quedado del tren delantero.

Foto 5

En la foto 5 se puede apreciar la forma que debe tener el bastidor.




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Foto 6

La foto 6 muestra la base del estator y cómo debe soldarse su armazón.




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3.2. BOBINAS.

Hay que realizar un fabricador de bobinas, para obtener nueve bobinas iguales e

idénticas. Cada una tiene 65 vueltas de alambre 14 AWG. La construcción del

fabricante consiste en dos tapas de madera de 4”(10.16 cm) de diámetro. Le perforamos

un agujero en el centro de ¼”(0.635 cm) de manera que la barra de ¼”(0.635 cm)

quedará bien apretada. La manivela y el eje son hechos de una misma pieza de barra de

¼(0.635 cm) - 20. Al insertar la barra en el disco de madera se engoma para impedir que

el disco continúe girando. La piza central es de madera de 3/8”(0.9525) y sobre ella se

enrollará el alambre tomando esa forma. Es conveniente biselarla ligeramente en la

dirección en que las bobinas salen del fabricador para que resbalen fácilmente. La tapa

frontal tiene una ranura que sirve de estaje al alambre cuando se inicia el proceso de

enrollado. Es bueno encerar la pieza para facilitar el resbalamiento y liberación de la

bobina terminada. Al enrollar el alambre, manténgalo en tensión. Fabricar una bobina es

bastante rápido. Al terminar, póngale unas gotas de pegamento de secado rápido a la

bobina para que no se deforme y más bien endurezca. Para retirarlas, si es que se hace

algo difícil, use un cuchillo sin filo de manera de no raspar innecesariamente el alambre.

La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a

través de él, generando una tensión que se opone a la tensión aplicada y es proporcional

al cambio de la corriente. La operación de las bobinas se basa en un principio de la

teoría electromagnética, según el cual, cuando circula una corriente a través de un

alambre, este produce a su alrededor un campo magnético. Las líneas de fuerza que

representan el campo magnético son perpendiculares a la dirección del flujo de la

corriente. Si doblamos en algún punto el alambre para formar un bucle o espira, el

campo magnético en esa parte del alambre se concentra dentro de la espira puesto que

todas las líneas de fuerza apuntan en la misma dirección y convergen hacia el centro.

Foto 7

La fotografía 7 de arriba nos muestra una bobina y los frascos de cemento y su

catalizador instantáneo.




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3.3. CONSTRUCCIÓN DEL ESTATOR.

Al terminar las nueve bobinas estamos listos para armar el estator. Un estator es una

parte fija de una máquina rotativa, la cual alberga una parte móvil (rotor). La principal

función del estator es generar corriente. Para armarlo hay que fabricarle un molde. El

molde es bastante sencillo. Hay que atornillar el molde a su base y es conveniente

lijarlo. Sus costados deben ser biselados hacia afuera de manera que el estator una vez

vaciado salga con facilidad. En la tabla de base hay que trazar líneas gruesas a 40

grados para ubicar la posición de cada bobina. Las líneas gruesas deben poder verse a

través de una capa de fibra de vidrio y resina. La fibra se vuelve casi transparente al ser

humedecida por la resina, que también es transparente.

Foto 8

La fotografía 8 anterior nos muestra el molde terminado. Las zonas de color morado

oscuro son de mastique que empleamos para rellenar los espacios libres en la madera.

Antes de vaciar el molde es conveniente colocar un lubricante que permita que el estator

se desprenda del molde.




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Foto 9

En la fotografía 9 se muestra que se le pone grasa, manteca o mantequilla también

servirán.

Foto 10

La fibra de vidrio le da resistencia a la resina. En la foto 10 se le esta colocando un

anillo de fibra de vidrio de la dimensión del molde a su fondo. Se trata de un anillo de

14”(35.54 cm) de diámetro con un agujero de 5”(12.7 cm) en el centro.




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Foto 11

En la fotografía 11 estamos engrasando los moldes.

Primero mezclamos algo de resina y la vaciamos en el fondo del molde. Luego

colocamos la fibra y añadimos más resina. Este trabajo es mejor hacerlo con guantes. La

resina huele mal y es mala de manejar. Su olor puede causar mareos y dolores de

cabeza, pero no es venenosa. En todo caso, si tiene un respirador úselo.

Foto 12




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En la fotografía 12 pueden verse las bobinas dentro del molde. Debe cuidarse que las

bobinas queden posicionadas frente a los imanes. Los extremos de alambre de las

bobinas deben proyectarse ordenadamente. Cada bobina tiene un extremo de inicio, el

interno y otro de salida, el externo. El mantenerlos ordenados facilitará hacer los

circuitos finales en los juegos de bobinas. Colocadas las bobinas se añade más resina

con talco bien mezclado.

Una mezcla del 50% de ambas partes es suficiente. Al final este vaciado de resina

colocamos otro anillo de fibra sobre las bobinas y añadimos más resina. Este es nuestro

estator fotografía 13 casi terminado. Hay que rematar los filos por donde se fugó algo de

la resina.

Foto 13

En la fotografía 13 se ven los soportes del estator soldados al bastidor de la turbina.

Ahora prepararemos el estator para montarlo.




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Foto 14

El estator debe quedar alineado centrado exactamente alrededor de la punta del eje foto

14. Como el estator tiene 14” de diámetro y cada brazo de soporte del mismo mide 7”,

las orillas del estator deben quedar alineadas con los extremos de los brazos. Debemos

centrarlo bien de manera de poder prensarlo para perforarle los agujeros con que los

fijaremos a los brazos. Cuidado con perforar las bobinas. Un accidente de este tipo

dañaría el estator y habría que comenzar a fabricarlo de nuevo. Una vez abiertos los

agujeros lo que nos queda es tender los cables del estator para efectuar algunas pruebas

de generación al colocar los rotores en sus sitios.

3.4. CONSTRUCCIÓN DEL ROTOR.

Foto 15

En la fotografía 15, se está colocando los imanes sobre el rotor. Se colocan uno por vez

y con sólo un rotor terminado podremos hacer nuestras pruebas. En el rotor que




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fabriquemos no importa el orden de colocación de los imanes, excepto que alternen sus

polos sucesivamente. El círculo de colocación será pues Norte, Sur, Norte, Sur, etc. (o

+, -,+, -, etc). Los imanes son peligrosos de manejar. Hay que trabajar con ellos con

mucho cuidado y tomarlos firmemente y alejados de los demás. Manténgalos alejados

entre sí con pequeñas cuñas que pueden ser hasta de cartón. Una vez colocados los

imanes, mida la distancia entren ellos de manera que esta sea la misma entre imán a

imán. Nosotros empleamos barajas, que son delgadas, para ir corrigiendo la distancia en

tramos muy pequeños. Una vez que hemos logrado distanciarlos adecuadamente los

pegamos con alguna resina verdaderamente poderosa.

Finalmente tendremos un disco metálico con 12 imanes potentes. Este Disco es aun más

peligroso que un imán. Se debe mantener alejado de herramientas, tornillos, residuos

metálicos, etc. y muy especialmente del otro disco. Hay que ser muy cuidadosos.

Foto 16

Una vez colocados los imanes colocamos una tira de cinta alrededor de los perímetros

del disco de manera de rellenar los espacios entre los imanes con resina sin que se

desborde ni los cubra fotografía 16.




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3.5. CONSTRUCCIÓN DE ESTATOR-ROTOR (PRIMERA PARTE).

Foto 17

Retirados los tornillos los reemplazamos con barra de 10"(25.4 cm) de 1/2"(1.27 cm)-

13. Estas barras se fijarán con tuercas a ambos lados de la base de la rueda. Es

conveniente usar contratuercas en la parte posterior de la barra e incluso soldarlas con

pega acrílica. Es muy probable que estas tuercas no requieran ser retiradas más nunca de

modo que es mejor asegurarnos que tampoco se soltarán, fotografía 18.

Foto 18

En la fotografía anterior estamos colocando el rotor trasero. Hay que ser cuidadosos

pues el rotor atraerá la base de la rueda. Es mejor que alguien sostenga la base mientras

otra persona coloca el rotor en su sitio. Debe quedar bien centrado. El rotor debe quedar

tan fijo en su sitio como se pueda, pues no hay razón para pensar que algún día habrá

que retirarlo de allí.




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Foto 19

Esta fotografía muestra el rotor en su sitio, fotografía 19. Si no le hubiéramos agrandado

el agujero central la base de la rueda no hubiera permitido colocarlo tal como está. Le

faltan las cinco tuercas.

Foto 20

En la fotografía 20 anterior se puede ver la base de la rueda y su rodamiento y el rotor

trasero sobre el bastidor. Hay que verificar su centro al girar. Empleando los tres

pedazos de 6” (15.24 cm) de barra de ½”(1.27 cm) – 13 y cuatro tuercas por trozo se

fijan las aletas de soporte del estator. Las tuercas nos permitirán desplazar el estator

lateralmente en la medida en que ello sea necesario. Debe quedar colocado de manera

que no toque los imanes pero que el salto de ellos al estator sea parejo y muy cercano.




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Foto 21

3.6. CABLEADO ELÉCTRICO.

Una vez colocado un rotor y el estator podemos cablear y probar la generación de

electricidad. No será muy edificante la producción pero podremos verificar cada fase y

determinar si el alternador trabajará. Para efectuar el cableado del estator hay que raspar

muy bien las puntas de todos los cables empleando una navaja o papel de lija hasta que

su cobre quede desnudo. Como tenemos nueve bobinas y tratamos de un alternador de

tres fases, cada fase consiste de tres bobinas conectadas en serie. El primer paso consiste

en unir tres bobinas en fase por cada serie. Cada bobina tiene una punta de inicio y una

de final. Como cada serie tiene sus tres bobinas distanciadas a 120 grados, tome la punta

de inicio y apártela (Esta es la punta de salida de esa fase) y una la punta de final de esa

bobina a la de inicio de la segunda bobina. Tome la punta de final de la segunda bobina

y únala a la punta de inicio de la tercera. Aparte la punta de final de esa tercera bobina

(Esa es la punta de entrada de esa fase). Marque la punta de salida con la letra “A” y la

punta de entrada con la letra “Z”. Al terminar esas uniones haga su primera prueba con

un voltímetro en CA. Esto se puede notar en el diagrama 2. Debe leer por lo menos 10

watts con una buena vuelta a mano del rotor.




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Diagrama 2

Continúe uniendo terminales, ahora con la segunda y tercera fases. Marque la punta de

salida de la segunda fase con la letra “B” y la de entrada con la letra”Y” y la punta de

salida de la tercera fase con la letra “C” y la de entrada con la letra”X”.

Ahora tendremos puntas o terminales A, B y C y X, Y y Z. Para trabajar en 12 voltios

en la configuración Delta uniremos el terminal X a la A, el C al Y y el B a la Z. Los

tres terminales finales son las salidas de las tres fases. Es bueno acomodar los tres

tornillos, tuercas y arandelas de cobre y de allí bajaremos a los rectificadores. Pruebe

ahora rotar con la mano y probar la corriente en las terminales.

En configuración Estrella esta máquina generará a 24 watts. Para ello basta con unir los

terminales A, B y C en un grupo y en otro grupo los terminales X, Y y Z. Otra solución

sería emplear alambre más delgado en las bobinas (Posiblemente AWG 17) y duplicar

el número de vueltas en las bobinas manteniendo la configuración Delta.




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Foto 22

A estas alturas el estator ha sido cableado y soldado. Se pueden ver las tres terminales

de cobre. Se cubre el cableado, o al menos pegarlo al filo del estator para impedir la

vibración de los cables. Se puede usar una cubierta con el mismo fin, fotografía 22.




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3.7. CONSTRUCCIÓN DE ESTATOR-ROTOR (SEGUNDA PARTE).

Ahora estamos preparando el segundo rotor. No tiene imanes aún, de manera que se

puede manejar con cierta seguridad. Los presentamos a las barras para verificar su

alineación, que puede ser algo excéntrica debido a que las barras están apretadas al

primer rotor. La idea es determinar si hay error. Muy cuidadosamente tratamos de llevar

la barra a su sitio en el agujero del segundo rotor. Para ello usamos un pedazo de tubo

de ¾”(1.905 cm) y doblamos la barra la distancia que sea necesaria. Queremos que el

rotor resbale en las barras con facilidad.

Foto 23

Una vez que las barras han quedado ajustadas podemos determinar dónde colocaremos

las ruedas de manera que el rotor apenas llegue al estator, fotografía 23. Las tuercas

tienen un espesor de ½”(1.27 cm) y usaremos otra de contratuerca. Las medidas deben

ser muy exactas ya que no queremos que el rotor nos quede oscilando. La tuerca

impedirá que al colocar el rotor final la atracción entre ambos sea tal que represente

peligro a los dedos de sus instaladores.

Ahora podemos marcar el sitio donde irán los imanes del segundo rotor. El cuidado que

ahora hay que tener es que donde hay un imán de cara norte en un rotor hay otro imán

de cara sur al frente de manera que se atraigan mutuamente. Hay que marcar además la

posición de alguna de las barras de manera de colocar el segundo rotor en esa misma

posición una vez que se le hayan pegado los imanes. Las marcas se pueden hacer con

una lima. Como vamos a pintar todo el aparato no queremos perder de vista la marca de

colocación del segundo rotor.




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Diagrama 3

El diagrama 3 de arriba muestra cómo deben alinearse los imanes. No hay otra manera

de hacerlo sin que alternador deje de funcionar. Cualquier error de instalación debe ser

previsto y de allí la importancia de marcar la posición de cada imán.

Retiramos el rotor frontal. No debe ser tan difícil, pues no tiene imanes. Una vez que los

tenga quizás resulte conveniente usar un separador. Los imanes deben ser colocados

empleando la misma técnica que empleamos para colocarlos en el rotor trasero.

Al endurecerse la resina del segundo rotor debemos tomar las medidas para colocarlo en

su sitio del bastidor. Ahora insertaremos la segunda tuerca (o contratuerca) a la barra y

deslizamos el segundo rotor teniendo como siempre mucho cuidado, pues la fuerza de

atracción entre los dos discos ha aumentado considerablemente.

Nuevamente, verifiquemos la alineación del rotor de manera que no haya

deslizamientos ni torceduras que no puedan arreglarse ajustando las tuercas. Una

vibración aquí repercutirá en las aspas y eso puede acabar con todo el proyecto. Mida

muy bien sus distancias y ajústelas hasta que estén perfectas.

Foto 24




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La fotografía 24 muestra el rotor frontal colocado. Casi hemos terminado el alternador.

Es posible que el uso de un espaciador sea lo más recomendable de usar ya que la fuerza

de atracción de ambos rotores es enorme. Nosotros simplemente alineamos los dos

rotores en su posición final y mientras alguien sostiene el bastidor con el rotor trasero en

su sitio colocamos rápidamente el segundo.

Colocado el segundo rotor sólo nos queda girarlo hasta que se deslice dentro de sus

barras. Es importante sostener los rotores de manera que sea imposible que los dedos de

ninguna persona queden aprisionados entre ellos y el estator. Una vez colocados los

rotores los giramos. La distancia entre ellos y el estator debe ser constante. No deben

existir deslizamientos ni oscilaciones y para ellos deberemos jugar con las tuercas que

retienen los rotores.

Diagrama 4

La distancia final debe ser de aproximadamente 1/16”(0.15875 cm). Es posible que

debamos desarmar todo el conjunto una vez más para pintarlo, pero antes podemos

probar nuestra capacidad de generación. A 60 rpm debemos obtener aproximadamente 6

watts CA entre dos cuales quiera de las terminales en el estator.




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3.8. VELETA OSCILATORIA Y SOPORTE

Foto 25

La fotografía 25 se puede ver el corte en el que pivota la veleta y que permite su

oscilación. Los restos de soldadura que se observan son para añadirle fortaleza al

conjunto. El corte debe permitir que la veleta gire de modo que quede perpendicular a la

punta de eje y debe terminar pocos grados después de quedar paralelo a la misma punta.

Para determinar la ubicación y tamaño de este corte debemos primeramente soldar el

trozo de tubo de 1” a la vara de la veleta y colocarlo sobre el pivote en el bastidor del

molino. Al colocar la vara en su posición normal de operación y hacemos la marca de

un extremo del corte. Luego ponemos la vara en su posición oscilada y hacemos la otra

marca y efectuamos el corte. Al colocar la turbina veremos si está a plomo con el viento

y en ese momento haremos los ajustes finales de corte.




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Foto 26

La fotografía 26 nos muestra tres opciones de máquinas casi terminadas, solo

elegiremos una. Nos falta pintarla y colocarle las aspas. Para colocar la veleta le

soldaremos pletinas a 1” x 1/8” (2.54 cm x 0.3175 cm) en sus extremos. El tubo de la

vara es de tubo de ¾”(1.905 cm) y de 5 pies (1.524 m) de largo. La veleta es de madera

de 3/8”(0.9525 cm) y medirá cinco pies cuadrados (Un poco más de ½ metro cuadrado).

Foto 27

En la fotografía 27 se ven los soportes y la veleta en su sitio.

Debemos de pulir nuestro trabajo eliminando astillas o defectos y restos de metal.

Luego desarmaremos toda la máquina, la limpiaremos con gasolina y le daremos sus




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manos de pintura. Si quiere no pinte el estator. Las bobinas le dan un toque interesante

al conjunto.

Figura 1




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3.9 ASPAS

Para realizar las aspas empezamos con tablas de 5 pies (1.524 m) de largo, 7 ½” (19.05

cm) de ancho y 2”(5.08 cm) de espesor. Luego dibujamos el contorno de un aspa y lo

cortamos. Eso nos da una plantilla del contorno de las tres aspas.

Foto 28

Foto 29

Hay que quitar bastante material, figura 28 y 29. Una sierra es útil en el primer paso.

Deberemos dejar algo de espesor extra para prevenir errores, figura 30.




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Figura 30

Figura 31

La fotografía 31 nos muestra el aspa y su curva casi terminada

Una vez fabricadas las unimos. Nuestra tapa consiste de dos discos de madera de 1.27

cm. El disco trasero tiene 25.4 cm de diámetro. El frontal sólo 20.32 cm. Las aspas

deben ser colocadas equidistantes entre sí. Hecho eso, atornillamos el aspa a su sitio con

bastantes tornillos, fotografía 33. Colocadas las aspas sólo queda pintarlas con alguna




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pintura resistente al agua. Finalmente deben pintarse con varias manos de pintura a base

de linaza.

Foto 32

En la fotografía 32 está todo listo. Ahora lo que tenemos que hacer es balancear las

aspas, hacer el circuito eléctrico y poner a funcionar la turbina. Para balancear las aspas

la impulsamos a mano y determinamos qué lado pesa más al lado opuesto colocamos

pequeños trozos de plomo con unos tornillos. A veces basta con arandelas.

Foto 33




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3.10 TORRE

Para realizar la torre debemos tener una base fija a un material de gran dureza y que se

mantenga en un lugar estable.

Para fabricar la torre se puede usar cualquier material de mayor resistencia al peso del

aerogenerador y la velocidad del viento, en este caso usaremos los restos de una

escalera. Uno de sus tubos es de 5.08 cm soldado a otro tubo de 3.81 cm. Una de las

secciones nos servirá de base de la torre y la otra nos servirá de brazo de izamiento.

Foto 34

En la fotografía 34 se ve cómo quedará la torre una vez izada. Ahora podemos colocar

la turbina en su sitio. Para bajar la electricidad usamos cable calibre 10 conectado a los

tres terminales del alternador y que baja por el centro del tubo. En la parte baja de la

torre hemos colocado un tomacorriente de tres patas. Tenemos tres cables con las tres

fases de corriente CA que llegan a la caseta de baterías. El alternador puede producir

energía suficiente para alumbrar una casa, la corriente sale a 12 watts. Se recomendaría

usar focos de 12 watts o poner un convertidor a 220 V, además se debe acumular la

energía del alternador en baterías y el convertidor o la toma general se conectarían a las

baterías.




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CAPITULO 4.

COSTOS Y BENEFICIOS




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4.1 Costos

4.2 Beneficios




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CAPITULO 4. COSTOS Y BENEFICIOS

4.1. Costos

En este caso no podremos ser muy específicos, ya que esto depende de lo que se tenga a

la mano. Lo más caro del proyecto son los imanes (Existen distintos precios,

encontrando una media entre estos es de $ 2000.00). El resto depende de lo que se tenga

a disposición. Trate de reciclar la mayor cantidad de material que pueda. Si lo hace así

no debe gastar más de $ 3000.00 ó $ 3500.00 sin incluir la torre, que puede ser desde un

tubo, hasta de ángulos y por tanto su costo puede ser desde muy económico hasta

bastante costoso. Un molino comercial parecido al que se pretende construir tiene un

costo comercial de $ 25000.00 con la ventaja de que el suyo usted mismo lo puede

reparar por nada. Aclarando que estos costos son de empresas dedicadas a la

construcción de turbinas eólicas y los costos son actuales (2008).

4.2. Beneficios

Entre otros, el beneficio claramente diferenciado de la Energía Eólica es que es una

energía limpia, que no contamina y sobre todo, que es inagotable. Procede

indirectamente del sol, pues se nutre única y exclusivamente del viento para generar una

electricidad limpia. La generación de electricidad a partir del viento evita la producción

de gases tóxicos que contribuyan al efecto invernadero y a la lluvia ácida. Se considera,

Energía Limpia, pues para generar esa electricidad no origina productos secundarios y

peligrosos para el hombre, tierra y atmósfera. Leyendo el siguiente ejemplo, podremos

ver la capacidad de limpieza que alberga en la generación de electricidad y como evita

residuos como se produce con las energías tradicionales:

Un KwH ( 1 Kilo watts/hora) de electricidad generado por Energía Eólica en lugar de la

utilización de carbón para la generación de ese mismo Kwh, evita la emisión de:

- 0,60 kilogramos de CO2 (dióxido de carbono) a la atmósfera

- 1,33 gramos de SO2 (dióxido de azufre)

- 1,67 gramos de NOx, (óxido de nitrógeno).

Datos que hacen pensar que con un sólo aerogenerador (molino que convierte la energía

cinética que hay en el viento en energía eléctrica), se podrían evitar los miles de

kilogramos de lignito negro que se queman diariamente en una central térmica y cortar

de raíz las emisiones a la atmósfera.

La Energía Eólica es una de las energías renovables que proceden del sol más baratas.

La rentabilidad es mucho mayor con respecto a otras fuentes energéticas tradicionales

como las Térmicas de carbón. El hecho de generar electricidad sin que exista un proceso

de combustión, visto con respecto al medio ambiente, suprime los impactos originados

por los combustibles por su extracción, transformación y combustión, beneficia la

atmósfera, el movimiento de suelos, vegetación etc.




- 65 -

La generación de energía eléctrica mediante la eólica se realiza, mayormente, por

grupos de aerogeneradores (llamados Parques Eólicos) tiene prácticamente una nula

incidencia sobre la erosionabilidad del suelo ya que, la implantación de los parques

eólicos no supone grandes movimientos de tierras. Tampoco supone ningún tipo de

vertidos, ni produce elementos contaminantes sobre la zona que se implantan dichos

parques eólicos.

Por ejemplo:

Entre los aspectos socioeconómicos, el parque eólico español actual genera electricidad

para 1.400.000 familias y evita la compra de petróleo y gas mejorando nuestra

economía, pues son los productos más caros de importar. Los últimos estudios de

trabajo que genera la Energía Eólica son en la actualidad de 5.000 puestos de trabajo

directos y 8.000 indirectos. Si se cumple el desarrollo tecnológico y el Plan de Fomento

de las Energías Renovables, pueden convertirse esos 8.000 puestos en 12.000 puestos.

Hablando generalmente de los beneficios con respecto a otros tipos de fuentes:

No existen trabajos de minería, o sea que no hay importantes movimientos de terreno, ni

desplazamiento de sedimentación, ni modificación ni alteración de los cursos de agua,

ni mucho menos contaminación por partículas, ni depósitos de materiales radiactivos.

No se realizan tareas del área metalúrgica ni modificación de combustibles; no hay

importantes consumos de energía, ni residuos radiactivos. No se presentan

inconvenientes de transporte, ni "mareas negras". No hay contaminación de aire en las

refinerías, ni pérdidas o explosiones de gases ni químicos agresivos. No hay ningún tipo

de combustión ni fusión de combustibles, lo que nos representa la ausencia de

accidentes nucleares. No hay vertidos de productos con radiactividad, no hay emisiones

de Co2 ni otros gases que producen efecto invernadero que provocan inconvenientes en

el cambio climático global. No hay contaminantes ácidos ni polución térmica. No hay

elementos de residuo, por lo que no hay depósitos de materiales como escombros, ni

residuos que atenten contra el medio ambiente. La ausencia del impacto negativo en la

salud de las personas tales como sí lo son los impactos de la energía nuclear, el carbón o

el petróleo, los cuales producen efectos altamente nocivos. El desarrollo de este tipo de

energía es altamente compatible con otras tantas actividades humanas ya que es escaso

el espacio que ocupa en el terreno real. Una vez que la central eólica está en pleno

funcionamiento se excluyen las alteraciones de la calidad del aire que respiramos,

porque no existen emisiones que contaminen nuestra atmósfera.




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CAPITULO 5.

RESULTADOS OBTENIDOS.




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5.1. IMPACTO AMBIENTAL DE LOS AEROGENERADORES EOLICOS

5.1.1. Efectos meteorológicos sobre el microclima

5.1.2. Efectos sobre la fauna y flora

5.1.3. Ruido

5.1.4. Interferencias con ondas de televisión y radiocomunicaciones

5.1.5. Consumo de energía

5.1.6. Seguridad y utilización del terreno




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CAPITULO 5. RESULTADOS OBTENIDOS.

Pensamos que si las aspas fueran más largas tendríamos mucha más potencia,

especialmente con vientos fuertes. Pero tal como ésta genera 100 watts a 15 km/h.

Probablemente llega a 500 watts a 37 km/h y 700 watts a 45 km/h. A mayor velocidad

oscila fuera del viento. Nosotros diríamos que 500 watts 37 km/h son ligeramente por

debajo de lo que esperábamos, pero es que nos parece que la máquina es demasiado

potente para sus aspas. Un aspa más larga seguramente haría que la generación

comenzara a 10 km/h. Tal como está el generador nos produce 12 watts CD a 110 rpm.

Con un aspa de una proporción de giro de 7 rpm se lograrían a menos de10 km/h. Es

posible que un aspa de 3.3528 m sea la mejor solución a este problema. Pero esa

solución traerá consecuencias: la máquina trabajará más y recalentará el alternador.

También se encontraron otros detalles en la construcción, realizando algunas

innovaciones con motores eléctricos y realizando algunos híbridos o combinaciones,

pero esto se realizara después.

La energía eólica puede ser motor de desarrollos rurales y regionales, tanto para vender

la energía generada como para suministrarla en zonas donde se puede aplicar para elevar

el nivel de vida de la población.

El desarrollo tecnológico de los generadores eólicos hará de esta fuente de energía una

opción cada vez más competitiva, además de permitir la conexión de éstas unidades

generadoras a la red de suministro sin problemas de inestabilidad en las redes de

transmisión.

5.1. IMPACTO AMBIENTAL DE LOS AEROGENERADORES EOLICOS

Los principales efectos de los aerogeneradores sobre el medio ambiente son los

siguientes:

5.1.1. Efectos meteorológicos sobre el microclima.- Se estima que la reducción de la

velocidad del viento por los aerogeneradores tiene, aproximadamente, las mismas

consecuencias sobre el clima local que un grupo de árboles, no esperándose que se

produzcan cambios significativos.

5.1.2. Efectos sobre la fauna y flora.- El efecto más significativo está relacionado con

el obstáculo que los rotores representan para el vuelo de las aves. Sin embargo, la

experiencia obtenida hasta el momento ha demostrado que la probabilidad de choque es

sumamente baja, debido a la rotación lenta de las máquinas y por su bajo coeficiente de

solidez.

5.1.3. Ruido.- La intensidad del ruido generado por las máquinas eólicas ha sido

investigado por la NASA mediante un prototipo de 100 kW. El estudio acústico abarcó

un espectro de frecuencias comprendido en el rango de audición entre 15 y 20.000 Hz).

El nivel acústico medido cerca de la máquina fue de 64 dB para las frecuencias

comprendidas en el rango audible, con un nivel de ruido de fondo de 52 dB,




- 69 -

observándose que el ruido de la máquina es inaudible por encima del ruido de fondo a

distancias del orden de 200 metros.

El ruido generado por una máquina de 2,5 MW a pie de torre es similar, en cuanto al

tipo de intensidad, al de un automóvil circulando por una autopista, desapareciendo el

ruido a una distancia relativamente pequeña de la máquina.

El ruido correspondiente a frecuencias inferiores al rango audible es producido por la

circulación del aire sobre obstáculos como la torre y las palas, ruidos que pueden afectar

a la salud ocasionando problemas respiratorios si se superan los 100 dB; las mediciones

efectuadas no han sobrepasado los 75 dB.

Existe sin embargo otra experiencia, en una máquina de 2 MW en la que sí se han

presentado ruidos molestos para los residentes en las inmediaciones, ligados a los

fenómenos aeroacústicos antes mencionados; en dicha máquina, cuyo rotor está a

sotavento de la torre, se produjo una interacción de muy baja frecuencia entre las palas y

la torre, produciéndose ruidos por debajo del rango audible que han obligado a

modificar el diseño del aerogenerador, reduciendo la velocidad periférica de las palas.

Este problema tiene menores probabilidades de presentarse en el caso de posicionar el

rotor a barlovento, si bien se estima que se puede evitar su aparición, aun en el caso de

estar posicionado a sotavento, en la fase de diseño.

5.1.4. Interferencias con ondas de televisión y radiocomunicaciones.- Las palas del

aerogenerador pueden reflejar las ondas electromagnéticas, pero se estima poco

probable que produzcan interferencias en las señales de radio y navegación salvo a

distancias pequeñas de la máquina.

La señal de televisión puede quedar afectada a distancias de unos centenares de metros

e, incluso, hasta 1 ó 2 km. Esto puede ocurrir si la maquina está emplazada a gran altura

y si los receptores de televisión reciben normalmente señales débiles, debido a la

distancia o a efectos de blindaje causados por el terreno sobre la estación de televisión.

Las posiciones relativas de la estación, el receptor y la máquina tienen también su

influencia.

5.1.5. Consumo de energía.- Una de las ventajas de la energía eólica frente a otras

nuevas fuentes de energía, es que el balance energético de los aerogeneradores es

claramente positivo, recuperando el coste de la energía empleada en la producción de

sus materiales constitutivos y en su construcción en un período del orden de 7 meses de

funcionamiento.

5.1.6. Seguridad y utilización del terreno.- El principal problema relacionado con la

seguridad radica en la posibilidad de rotura de una pala. Dada la alta velocidad

periférica del rotor, se estima que el área de seguridad en torno a un aerogenerador debe




- 70 -

comprender un círculo de unos 200 metros con centro en la base de la torre de la

máquina.

Con los métodos de cálculo existentes actualmente la probabilidad de que se produzca

dicha rotura es pequeña por lo que la zona de seguridad se puede utilizar para

agricultura, ganadería, circulación de vehículos y otros fines equivalentes

La superficie del terreno ocupada por un aerogenerador con una potencia del orden de 1

MW es pequeña, (2000 m2). La zona de seguridad citada anteriormente abarcaría

120.000 m2 que conforme a lo dicho podría ser utilizada para fines agrícolas o

ganaderos.

En el caso de una agrupación de aerogeneradores es necesario que la distancia entre

ellos guarde el mínimo necesario para evitar interferencias aerodinámicas entre

máquinas.

Este mínimo es del orden de 7 a 10 veces el diámetro del rotor, lo que implica distancias

de aproximadamente 1 km para generadores de 2,5 MW.

El terreno entre aerogeneradores puede ser utilizado para otros fines con la única

salvedad de respetar las servidumbres impuestas por las carreteras de acceso a las

máquinas y las líneas eléctricas.




- 71 -

CONCLUSIONES.

Las turbinas construidas manualmente son una opción viable para sistemas a pequeña

escala como los que podrían necesitar muchas de las granjas y casas aisladas que

actualmente están fuera de la red de distribución de electricidad. Estas propiedades

tienden a estar localizadas en altitudes relativamente altas, lo que hace posible que

exista una cantidad de viento suficiente y fiable que pueda justificar la instalación de

una turbina eólica.

La pregunta de si construir una turbina es la mejor opción para un particular es cuestión

de habilidad práctica, recursos, y dinero. Es esencial disponer de un taller en

condiciones para trabajar el metal y los componentes electrónicos. Por otro lado, el

coste de construir una turbina comparada con su equivalente comercial es mucho

menor, lo que puede ser más atrayente.

Otro beneficio potencial de este tipo de turbinas es a nivel educativo. La construcción

de una turbina lleva consigo un gran número de conocimientos técnicos diferentes y

posibilita conocer el manejo de sistemas de control electrónicos, trabajo con metal y

aporta conocimientos significativos de trabajo con madera e ingeniería.

En este sentido fue una experiencia muy enriquecedora tanto a nivel práctico, porque se

aprende mucho de artesanía (de madera y metal) y de electricidad, como a nivel teórico,

porque durante la carrera de Ingeniería Mecánica con especialidad en Energéticos se

insistía o promovía el uso de las fuentes locales de las energías renovables fue un tema

permanente.

Si no somos capaces de tomar en cuenta esta pequeña forma de generar energía sin

contaminantes, (que por su escala no tendría las mismas consecuencias que las de gran

tamaño) nunca tomaremos distintas ideas para dejar de contaminar el planeta, en

algunos casos se debe a la mediocridad, pereza, falta de atención, entre muchas otras

cosas, pero para cosas grandes se empieza por lo pequeño. Para poder tener una mejor

conciencia de esto, en el 2007 subieron al Internet algunos documentales donde se

expone:

En los últimos 200 años la humanidad se ha vuelto altamente dependiente de los

combustibles fósiles y la energía nuclear. Esta dependencia está ocasionando serios

problemas ambientales y sociales: cambio climático, contaminación del aire, daños en la

salud humana, distorsión de las economías nacionales y conflictos militares.

La temperatura global se incrementaría en unos 3 grados centígrados hacia el final del

próximo siglo. Esto implicará cambio en el patrón de lluvias en numerosas regiones, el

derretimiento de grandes masas de hielo, particularmente en los polos, extensiones de

tierra. El suministro de agua potable se tornará crítico, con consecuencias también en la

agricultura y otras actividades productivas como la pesca. Se extenderán las fronteras de

incidencia de diversas enfermedades y habrá un deterioro en la salud humana y muchas




- 72 -

especies de flora y fauna desaparecerán al no poder adaptarse a tales cambios en sus

ecosistemas naturales.

Habrá una mayor virulencia en diversos fenómenos climáticos como huracanes en los

trópicos y tormentas de viento en áreas templadas. Las tierras más productivas de

Bangladesh se inundarán mientras que los países del Mediterráneo podrían enfrentar

sequías y falta en el suministro de agua. Varios estados insulares del Pacífico podrían

desaparecer.

Con todo esto podemos concluir que este proyecto es viable para cualquier tipo de

región donde existan rachas de viento superior a los 30Km/hr, para concluir

presentamos las ventajas y desventajas de la energía eólica.




- 73 -

ANEXOS

Partes de un Aerogenerador comercial.

Lugares de la republica donde existen turbinas eólicas.




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Vista de las partes usadas del automóvil para la construcción del aerogenerador.

CONVERSIONES

Longitud

1m =3.2808 ft = 39.37”

Velocidades del viento

1 m/s = 3,6 km/h = 2,237 millas/h = 1,944 nudos

1 nudo = 1 milla náutica/h = 0,5144 m/s = 1,852 km/h = 1,125 millas/h

Unidades de energía

1 J (joule)=1 Ws = 0,2388 cal

1 GJ (gigajoule) = 10 9 J

1 TJ (terajoule) = 10 12 J

1 PJ (petajoule) = 10 15 J

1 (kilovolt-hora) kWh = 3.600.000 Joule

1 tep (tonelada equivalente de petróleo) = 7,4 barriles de crudo en energía primaria = 7,8

barriles de consumo final total = 1270 m 3 de gas natural = 2,3 toneladas métricas de carbón

1 Mtep (millones de toneladas equivalentes de petróleo) = 41,868 PJ

Unidades de potencia

1 kW = 1.3600 CV (HP)

Potencia del viento **)




- 75 -

m/s W/m 2 m/s W/m

2 m/s W/m

2

0 0 8 313,6 16 2508,8

1 0,6 9 446,5 17 3009,2

2 4,9 10 612,5 18 3572,1

3 16,5 11 815,2 19 4201,1

4 39,2 12 1058,4 20 4900,0

5 76,5 13 1345,7 21 5672,4

6 132,3 14 1680,7 22 6521,9

7 210,1 15 2067,2 23 7452,3

**) Para una densidad del aire de 1,225 kg/m 3

, correspondiente al aire seco a

la presión atmosférica estándar al nivel del mar y a 15° C. La fórmula para la

potencia por m 2

en W es 0,5 * 1,225 * v 3

, donde v es la velocidad del viento

en m/s.

Aviso: Aunque la potencia del viento a una velocidad de , p.ej., 7 m/s es 210

W/m 2

, deberá observar que la potencia del viento en un emplazamiento con

una velocidad del viento media de 7 m/s suele ser el doble.




- 76 -

Definiciones estándar de clases de viento

Clase 30 m de altura 50 m de altura

Velocidad del

viento

m/s

Potencia del

viento

W/m 2

Velocidad del

viento

m/s

Potencia del

viento

W/m 2

1 0-5.1 0-160 0-5.6 0-200

2 5.1-5.9 160-240 5.6-6.4 200-300

3 5.9-6.5 240-320 6.4-7.0 300-400

4 6.5-7.0 320-400 7.0-7.5 400-500

5 7.0-7.4 400-480 7.5-8.0 500-600

6 7.4-8.2 480-640 8.0-8.8 600-800

7 8.2-11.0 640-1600 8.8-11.9 800-2000




- 77 -

Escala de velocidades de viento

Velocidades de viento a 10 m de altura Escala Beaufort

(anticuada)

Viento

m/s nudos

0,0-0,4 0,0-0,9 0 Calma

0,4-1,8 0,9-3,5 1

Ligero 1,8-3,6 3,5-7,0 2

3,6-5,8 7-11 3

5,8-8,5 11-17 4 Moderado

8,5-11 17-22 5 Fresco

11-14 22-28 6

Fuerte

14-17 28-34 7

17-21 34-41 8

Temporal

21-25 41-48 9

25-29 48-56 10

Fuerte temporal

29-34 56-65 11

>34 >65 12 Hurracán




- 78 -

Densidad del aire a presión atmosférica estándar

Temperatura

° Celsius

Temperatura °

Farenheit

Densidad, es

decir, masa de

aire seco

kg/m 3

Contenido de agua

máx. kg/m 3

-25 -13 1,423

-20 -4 1,395

-15 5 1,368

-10 14 1,342

-5 23 1,317

0 32 1,292 0,005

5 41 1,269 0,007

10 50 1,247 0,009

15 59 1,225 *) 0,013

20 68 1,204 0,017

25 77 1,184 0,023

30 86 1,165 0,030

35 95 1,146 0,039

40 104 1,127 0,051

*) La densidad del aire seco a la presión atmosférica estándar al nivel del mar a 15° C se

utiliza como estándar en la industria eólica.




- 79 -

BIBLIOGRAFÍA

Bastianón, Ricardo A., “Energía del viento y diseño de turbinas eólicas”, Ed. Tiempo de

Cultura Ediciones, 1994.

Díez, Pedro Fernández, “Energía Eólica”, Departamento de Ingeniería Eléctrica y

Energética, Universidad de Cantabria, España, 2002.

Austin Hughes: Electric Motors and Drives, Oxford 1997, Butterworth-Heinemann,

ISBN 0 7506 1741 1

John J. Bertin, Aerodynamics for Engineers, Fourth Edition, Prentice Hall, Upper

saddle River NJ 2002, ISBN 0-13-064633-4.

Franck Bertagnolio, Niels Sørensen, Jeppe Johansen and Peter Fuglsang: Wind Turbine

Airfoil Catalogue, Risø National Laboratory, Roskilde, 2001. ISBN 87-550-2910-8

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