Detalles Dispositivo Seleccionado

En la elección del dispositivo tomo especial relevancia la relación peso desempeño, por lo que se estimo conveniente mantener el diseño dentro de lo pragmático tomando el diseño clásico como la opción preferida.

Consiste en 3 aspas montadas sobre soportes de madera enfrentándose al suministro de aire. Para lograr esto, adosamos un soporte de madera a la placa original en un extremo para en el otro armar el porta ejes. Para evitar el posible pandeo lateral, contamos con una placa de madera en la parte posterior formando un perfil T. El porta ejes esta hecho de madera, como su nombre lo indica, soporta un eje de 10 mm de diámetro sobre dos rodamientos simples. En uno de los extremos se encuentra el buje donde se pegan las aspas. En el lado opuesto queda parte del eje libre para medir la potencia generada.

Para efectos de la competencia, reemplazamos los pernos por pegamento Loctite capaz de resistir una tensión de 22 N por mm2, suficiente para los requerimientos exigidos, y favorable para la reducción de peso, con buen desempeño en madera. Para asegurar un resultado favorable se diseñaron las piezas para favorecer el área de unión (ilustración 4) buscando mantener el equilibrio de este con el peso del dispositivo y con que este aumento no se traduce en un aumento proporcional a la carga (ilustración 5):

Ilustración 4

Ilustración 5

La principal materia prima utilizada es madera de balsa, con las siguientes propiedades relevantes

Flexión Corte Modulo Ruptura (MPa) Modulo de Elasticidad (GPa) Esfuerzo Paralelo al grano (MPa) 21.6 3.4 2.1

Costos Estimados

Conscientes de la restricción presupuestaria y asumiendo el desafió del reciclaje, es que dentro de los costos estimados solo se encuentran aquellos elementos necesarios como materia prima (ver tabla). Los demás elementos que no se encuentran en este listado fueron rescatados de otros dispositivos, como por ejemplo los rodamientos, que pertenecen a un auto radio controlado.

Ítem Aplicación Cantidad Precio Unit. Totales Madera de balsa 10mm x 1m x 80 mm alabes y poste 4 800 3200 Madera terciada Espesor: 3mm. Ancho: 150 mm. Largo: 300 mm. unión con el poste y buje 2 1700 3400 Pegamento Loctite base: cianoacrilato todo 1 1300 1300 7900

Análisis

Fuerza Horizontal por Efecto del Aire:

Despreciando el efecto del viento en el soporte, y solo tomando las aspas y el buje como resistentes a la corriente se tiene lo siguiente:

A=3*30*350 mm2 (área de las aspas)

Cx=1

Rho=1.3 kg/m3

V=5 m/s

Esto entrega una fuerza recibida por el sistema equivalente a: 0,511 N por efecto del aire en el sentido horizontal. Este esfuerzo, no produce problemas en el dispositivo. Sin embargo, a medida que se aumenta el esfuerzo realizado, ya no siendo representativo del viento, se puede anticipar que el dispositivo fallará cerca de la placa de donde esta sujeto, pues es el lugar que siempre muestra estar sometido a la mayor carga, siempre y cuando esta ultima este correctamente aplicada. De otro modo, el principal punto débil, es en los engranajes, que al recibir fuerza axial podrían ceder antes que la base, si las condiciones lo permiten.

Selección de concepto

Ahora al tener disponibles todos los parámetros que estarán presentes durante la operación del dispositivo podemos proceder a elegir la mejor opción para nuestro objetivo. Ahora el enfoque estará puesto en la competencia la que consiste en obtener la mejor relación peso potencia

posible a partir del recurso dado.

Teoría

La fuente de potencia eólica se calculará de la siguiente manera.

Dadas las mediciones de velocidad del viento efectuadas que se muestran en el gráfico 1, podemos ver que la velocidad promedio del viento a 1,5[m] es de aproximadamente 5[m/s] que asumiremos distribuida uniformemente en una superficie circular con diámetro igual al de las

aspas del ventilador que es de 65[cm].

Gráfico 1

De este modo podemos optimizar el diseño a ocupar de modo de obtener el mejor desempeño para esa velocidad del viento en particular.

Como una primera aproximación podemos calcular fácilmente el límite máximo de potencia que podrá generar nuestra turbina usando el límite de Betz que establece que no se puede extraer más del 59,3% de la energía cinética contenida en el viento.

Así la potencia contenida en el viento a 5[m/s] por unidad de área es:

P=m*v2 / 2

Con:

m = rho*v*A

Así:

P = m*rho*A*v2 /2

Reemplazando valores:

A= π(0,65)²/4 = 0,332[m²]

ρ= 1,2[kg/m³]

v= 5[m/s]

Luego la potencia máxima teórica aprovechable por la turbina será:

P*0,593=14,77[W]

Con esta aproximación ya podemos tener una idea de que resistencia tendrá que tener nuestro dispositivo.

El objetivo será optimizar nuestro diseño para un flujo de aire a 5[m/s], que para nuestro caso asumiremos que aproximadamente está contenido dentro de un tubo virtual de 65[cm] de diámetro como se muestra en la ilustración 1. Dado que nos tenemos que ajustar a esta geometría tenemos un importante criterio en la selección del diseño. La única configuración que se ajusta de manera perfecta a esta geometría del recurso es la de eje horizontal en forma paralela al viento.

Ilustración 1

De esta forma podemos poner un rotor que no tenga partes fuera del flujo de aire ni partes que resten energía al generar roce con el aire como lo haría un diseño de eje vertical.

Además, es bien sabido que las turbinas de eje vertical son menos eficientes que las de eje horizontal pero tienen más torque, de manera que implementaremos formas que disminuyan la diferencia en este aspecto.

Otro criterio es el del peso, necesitamos una geometría que tenga un peso mínimo, para alcanzar una razón peso potencia óptima podemos ver que un diseño con menos aspas y accesorios será mejor.

Dentro de esta línea de pensamiento elegiremos 2 conceptos que construiremos:

Diseño entubado

Este concepto al tener un concentrador del flujo de aire permite hacer que el diámetro del rotor sea menor salvando así peso, además permite aumentar la eficiencia impidiendo que el flujo se escape del área del rotor como ocurre normalmente en este tipo de diseño.

Además al usar un mayor número de aspas corregimos el problema de tener un bajo torque.

Diseño convencional de 6 aspas:

Permite usar un rotor más grande y aprovechar al máximo el recurso disponible, al tener más aspas se mitiga el problema de la falta de torque inherente a este tipo de diseño y se ahorra peso al no tener la necesidad de un ducto que direccione el flujo.

Conceptos Descartados

Hay varios conceptos que fueron descartados desde la entrega anterior a esta.

En primero lugar, se decidió descartar todos los conceptos de diseño que tuvieran su eje situado de forma vertical. Esto se debe a que en la práctica, estos aerogeneradores han demostrado tener menor eficiencia que los dispositivos de eje horizontal. Aun cuando el dispositivo Darrieus tiene en la teoría la misma eficiencia que un aerogenerador de eje horizontal, en la práctica no se ha reflejado esa igualdad; además de las dificultades que implica fabricar un dispositivo como ese.

Por otra parte, en la entrega anterior también se habló de los aerogeneradores de eje horizontal con geometrías alternativas. En esos casos se ha visto que su eficiencia es reducida. Además, esos diseños han sido investigados de forma somera y su construcción presenta dificultades obvias para nuestra reducida capacidad de elaboración.

Identificación de Necesidades del mercado Objetivo

En particular en el presente proyecto nos interesa lograr desarrollar energía mecánica a través de energía eólica, mediante el torque que genera el movimiento de las aspas de una turbina, la cual eventualmente se almacenará en forma de energía eléctrica.

Para el desarrollo del proyecto se nos entregan una serie de requisitos que serán evaluados y definirán el éxito o fracaso de éste, dentro de los cuales destacamos la relación peso/potencia, su optimización mediante un diseño inteligente y que cumpla con los otros requisitos. Para lograr lo anterior nos enfocaremos en:

1. Materiales: para lograr una gran potencia el material debe ser resistente, y de una baja densidad para lograr ser lo más liviano posible. Buscamos también que éste sea un generador ecológico (más allá de la generación de electricidad con el uso de una energía renovable) utilizando materiales de desecho, por lo que consideraremos polímeros como el plástico, madera de desecho, alambres, PVC de tuberías desechadas, latón de desechos, etc. En fin, buscaremos la forma de obtener materiales que nos entreguen la resistencia necesaria, sean lo más livianos posibles y provengan de una fuente de desecho.
2. Geometrías posibles: Buscaremos un diseño tal que nos permita minimizar el peso y maximizar la potencia, ocupando las restricciones de apoyos dadas. Se generarán en lo sucesivo una serie de alternativas entre las cuales eligiremos la que nos entregue un mejor desempeño, sin obviar las condiciones de operación que tendrá ( dirección de viento conocida y constante, igual que su velocidad) se tomarán en cuenta diferentes números, diseño y tipos de aspa, orientación del eje, o cantidad de ejes, entre otros factores a considerar.
3. Peso: será medido en kilogramos y, como ya se mencionó anteriormente se busca minimizar esta propiedad utilizando el material que se encuentre a nuestra disposición con la menor densidad posible.
4. Rupturas: Claramente buscamos prevenir y evitar todas las fallas que podrían provocar que nuestro mecanismo sufra una ruptura, para esto se analizarán tanto las piezas como las uniones que tendrán. En particular se sabe que un punto de falla típico son éstas últimas por lo que un especial énfasis se tomará en realizar uniones que, dadas las condiciones de funcionamiento, no generen mayores riesgos de falla. Sobre las piezas se debe destacar que se analizará la función y fuerzas presentes en cada una de ellas para mejorar su diseño y elegir el material óptimo
5. Deflexión: idealmente nuestro generador tendría infinitas aspas de un largo infinito, pero por diversos motivos, entre estos la deflexión, lo anterior no puede cumplirse. Al ser más largas las aspas éstas pueden ser deformadas más fácilmente por el viento, chocando con el eje lo que generaría daño en el material de ambos, y perdería la continuidad del movimiento, desperdiciando una cantidad importante de energía. Buscaremos optimizar el largo de las aspas para evitar estos golpes y faltas de continuidad y obtener la mayor potencia posible.
6. Mecanismos de Rodadura: Buscaremos aquellos mecanismos que minimicen el roce, se ajusten al presupuesto establecido y aporten lo menos posible al peso del sistema.
7. Pandeo y Flexión: Buscaremos materiales lo suficientemente rígidos para evitar estos fenómenos o disminuir su magnitud dejándola dentro de márgenes suficientes para no afectar el funcionamiento del generador, esto es, no cambiar la dirección de incidencia del viento sobre las aspas.

Conceptos de Generación

Se ha investigado sobre las distintas tecnologías desarrolladas en la actualidad y de ellas se han establecido los prototipos primordiales que se podrían utilizar.

Consideraciones prácticas: (i) Un aerogenerador solo podrá obtener un porcentaje de la energía que transporta el viento inferior al límite de Betz que corresponde a un 59%; (ii) para la generación de electricidad es conveniente que la hélice gire a más de 1000 RPM (menor velocidad puede ser útil para realizar operaciones mecánicas, pero no generación eléctrica).

El siguiente gráfico puede ayudar a ilustrar cómo es la distribución de eficiencias con respecto al TSR (tip speed ratio, o cuociente entre la velocidad lineal máxima de rotación del aerogenerador versus velocidad del viento).

1. Aeromotores de Eje Vertical

Hemos distinguido dos grandes diferencias entre los aerogeneradores. En este caso, los de eje vertical presentan las siguientes características:

Ventajas	Desventajas
No se requiere torre para la máquina.	En general, las velocidades presentan grandes variaciones en el eje vertical y en el suelo son muy bajas.
No requiere mecanismo de orientación debido a cambios en la dirección del viento.	Poca eficiencia promedio con respecto a los aeromotores de eje horizontal.
Mayor facilidad de construcción.	Necesitan energía externa para arrancar.
	Mayor complejidad en mantención (se debe en general desmontar toda la máquina cambiar un cojinete, por ejemplo).

Tabla 1 - Ventajas y Desventajas de Aeromotores de Eje Vertical

1.1 Aeromotores Savonius

El presente diseño de generador es útil por la facilidad de su elaboración. Presenta facilidades evidentes a la hora de usar materiales de deshecho (como puede apreciarse en la ilustración 1); podría recurrirse sin mayores problemas a algún tipo de recipiente cilíndrico y cortarlo por la mitad.

Ilustración 1 - Rotor Savonius

Hay que notar que no es imperativo utilizar solo dos palas; también es posible usar tres o cuatro. Una ventaja importante para este diseño es que no requiere una previa orientación a la dirección del viento; sin embargo, considerando que la evaluación del proyecto tiene especificado que la dirección del viento será única y uniforme, esta ventaja no tiene mayor importancia.

Por último, este tipo de aerogeneradores generan un gran torque pero, dado que no giran nunca a mayor velocidad que la del viento, con dificultad logran pasar de las 100 RPM. Esto los vuelve una mala opción para la generación de electricidad (como se explica en las consideraciones prácticas al principio).

1.2 Panemonas

Este concepto de aerogenerador corresponde a un sistema de Savonius pero en las palas se colocan semiesferas en vez de semicilindros. Su eficiencia es baja. Es común ver este tipo de diseño en anemómetros.

1.3 Aeromotor Savonius Helicoidal

Una forma de eliminar parte de la resistencia que se genera en un aerogenerador Savonius cuando un álabe gira en contra de la dirección del viento es torcerlos, de manera de que queden de forma helicoidal, como se muestra en la figura.

Ilustración 2 - Savonius Helicoidal

1.4 Aeromotores Darrieus

En teoría, este tipo de generación es igual de eficiente que el de tipo hélice enfrentada al viento. Requiere de velocidades de viento mínimas de entre 4 y 5 m/s.

Ilustración 3 - A. Darrieus, Pala forma C

Ilustración 4 - A. Darrieus, Palas Planas

El tipo de la ilustración 3 tiene forma de C debido al problema que significa la presencia de fuerzas centrífugas cuando el dispositivo gira a grandes velocidades, esa forma de palas permite que ellas mismas soporten su peso y fuerza centrípeta.

1.5 Aeromotor Darrieus Helicoidal

Con este diseño se asegura que no existan ángulos muertos de ataque de las palas al viento. Presenta complicaciones obvias desde el punto de vista de la construcción.

Ilustración 5 - Darrieus Helicoidal

1.6 Aeromotor Mixto (Savonius-Darrieus)

También existe la posibilidad de combinar las dos opciones anteriores para lograr una mayor eficacia. En ese caso, el diseño preliminar del dispositivo constaría de las palas externas que corresponden al aerogenerador Darrieus y más cerca del eje, las palas correspondientes al sistema Savonius.

2. Generadores de Eje Horizontal

2.1 Diseño estándar de 3 aspas

Ilustración 6 - Hélices Estándar

Estos generadores representan la mayoría de los diseños instalados ya que en aplicaciones de alta potencia son los más adecuados dada su relación costo energía.

Son los generadores más estudiados y probados de todos.
Ventajas:
• Este diseño ofrece una plataforma conocida y muy probada.
• Simpleza en la construcción.
• Pocas partes.
• Liviano
• Eficiente
• Paso variable
Desventajas:
• Ruidoso
• Requiere gran velocidad del viento
• Gran esfuerzo sobre el eje principal
• Bajo torque a bajas velocidades del viento
• Gran diámetro

2.2 Diseño estándar más 3 aspas

Ilustración 7 - Más de 3 Aspas

Son uno de los diseños más antiguos que existen, dada su ventaja de generar gran torque este concepto se ajusta a necesidades básicas de alto torque y bajas RPM como la molienda de granos y el bombeo de agua.

Ilustración 8 - Más de 3 Aspas (2)

Ilustración 9 - Más de 3 Aspas (3)

Ventajas:
• Gran torque
• Diámetro reducido
• Aprovechamiento de vientos a velocidades bajas
Desventajas:
• Mayor número de aspas aumenta el peso
• Difícil construcción
• Menor eficiencia debido a perdidas relacionadas con tener más aspas
• Baja velocidad de rotación

2.3 Hélices en Ductos

Ilustración 10 - En Ducto

Ilustración 11 - En Ducto (2)

Ilustración 12 - En Ducto (3)

Esta configuración relativamente nueva se basa principalmente en evitar la pérdida de flujo de aire por los lados del disco del rotor, usando un ducto se confina el aire aumentando la potencia generada por unidad de área.
Ventajas:
• Tamaño reducido para una potencia dada
• Bajo ruido
• Mayor densidad en la instalación de granjas eólica
Desventajas:
• Construcción compleja, tolerancias muy estrictas
• Mayor peso dada la estructura del ducto
• Difícil instalación

2.4 Otras Geometrías

Ilustración 14 - Otras Geometrías

Ilustración 15 - Otras Geometrías (2)

Este tipo de geometría alternativa ofrece ventajas principalmente relacionadas con la estética y la generación con muchas unidades pequeñas.
Ventajas:
• Estética
• Compacto
• Generación a bajas velocidades de viento
Desventajas:
• Muy difícil construcción
• Eficiencia reducida

Concepto: Especificaciones

Desarrollo del concepto:

Esta etapa del desarrollo de nuestro producto contempla usar la misión y los objetivos planteados anteriormente para poder producir una descripción más detallada del concepto y a su vez definiendo las especificaciones necesarias.
Las necesidades del mercado objetivo se pueden definir a partir de los requerimientos hechos en el curso como:
Generar la mayor cantidad de potencia mecánica posible a partir del aprovechamiento de la energía del viento.
Tener la mejor relación peso/potencia generada posible.
Uso extensivo de materiales de desecho.
Estas necesidades pueden ser cubiertas de muchas formas. A continuación se describen los conceptos a considerar que luego serán seleccionados mediante la asignación de una métrica.
Para generar potencia mecánica a partir del viento consideraremos dos enfoques distintos en nuestros aparatos generadores. La potencia generada será aprovechada haciendo girando un eje de modo que se cumplirá P=TW , en donde W es la velocidad angular o RPM y T es el torque producido, por lo que existen dos caminos a seguir. Uno es generar potencia por medio de tener un dispositivo que gire muy rápido aumentando el factor W en desmedro del torque T, el otro es favorecer el torque por sobre la velocidad angular.
Ambos enfoques suponen una serie de ventajas y desventajas que serán analizadas.
 
A continuación se muestra una tabla que desglosa las necesidades a un nivel mas especifico y las relaciona con una métrica:

Especificaciones

Potencia Eléctrica: describe la generación eléctrica producida por el dispositivo
Tamaño Aspas: determina las dimensiones de las aspas a usar en el dispositivo
Montaje: define la dificultad de implementar el dispositivo, desde el posicionamiento en el soporte, hasta la instalación del generador
Resistencia en el Soporte: Mide los esfuerzos máximos capaz de ser aceptados en el soporte (para los 3 ejes)
Estética: define la calidad de la manufactura, y terminación del dispositivo
RPM: calcula las revoluciones por minuto de operación del generador
Vida Útil: determina la vida útil del dispositivo, dependiendo de los requerimientos del cliente

Misión, Visión y Objetivo

Misión

Grupo de estudiantes de ingeniería empeñados en diseñar y construir un generador eólico que cumpla con los requisitos del curso.

Visión

Grupo de estudiantes de ingeniería que diseña y construye un generador eólico pequeño, innovador y sustentable en los ámbitos económico, energético y medioambiental.

Objetivo

Crear un diseño práctico y viable que no sólo cumpla con los requerimientos del curso si no que también tenga potencial de ser producido en masa e instalado en donde sea requerido.

Presentacion

Somos un grupo de alumnos de Ingenieria Mecanica, del curso Diseno Mecanico I, que tenemos por objetivo realiazar el proyecto dispuesto por el profesor del ramo, Julio Vergara.
El proyecto consiste en construir un dispositivo que sea capaz de generar energia a partir de un recurso eolico, de acuerdo a ciertas restricciones, especificadas previamente.