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.