CONSTRUCCIÓN DEL ROTOR EÓLICO

UNA TURBINA EÓLICA DE 200 WATT

Traducción de la página sobre una turbina eólica, de dos metros de diámetro, del Sitio Web de Andy Little en:

http://www.servocomm.freeserve.co.uk/index.htm

http://www.servocomm.freeserve.co.uk/Windpower/uber_frame.htm

andy@servocomm.freeserve.co.uk andy@servocomm.freeserve.co.uk

 

Resumiendo, el asunto fue diseñar y construir un molino de viento con un rendimiento máximo de al menos 200 watts, sobre un buen rango de velocidades de viento. Consecuentemente el diseño ha sido optimizado para vientos livianos, con una batería de auto, de 12 voltios, como medio de almacenamiento.

Claramente, se seleccionó –como base para el diseño- una turbina eólica convencional de 3 aspas y de eje horizontal (TEEH), en inglés:(HAWT), de aproximadamente 2,3 metros de diámetro.

El alternador fue diseñado para construirlo sin el uso de un torno. 

El rotor fue diseñado para ser liviano y tener una larga duración, usando materiales de alta tecnología.

                    

EL ROTOR DE VIENTO

La base inicial para el diseño fue la lectura del excelente libro de Hugh Piggots “Taller sobre el Poder del Viento”. En el libro se describe, en detalle, la construcción de un rotor de madera, sin embargo al tener cierta experiencia en el moldeado, nos decidió a construir un rotor de fibra de vidrio.

Sin embargo enfatizaría, fuertemente, que si usted desea obtener una turbina completa, lo más rápidamente posible, entonces un rotor de madera tallada –como describe el libro de Hugh Piggots- sea, probablemente la mejor opción.

La ilustración de más abajo muestra el resultado del “Bladecalc” (Aspacalco), un programa usado para diseñar la hoja del rotor o aspa.

 wireframe model of the rotor blade

DISEÑO DEL ROTOR

La forma del aspa del rotor eólico fue deducida matemáticamente.

El teorema de Betz predice  la cantidad de energía disponible para una turbina de viento, según la velocidad del viento.
Conociendo el promedio de la velocidad del viento, en el lugar del emplazamiento, y el promedio de potencia requerido, el diámetro del rotor y la longitud de las aspas pueden ser deducidos.

 El otro requerimiento es trabajar el índice de rotación de la turbina, el cual es controlado por, o afectado por el diseño de el alternador o generador.( the required rate of rotation of the wind turbine, which is governed by, or affects design of the alternator or generator).

Otro parámetro limitante es el “mínimo de Reynolds”, número bajo el cual el perfil aerodinámico    (P.A.)  seleccionado, operará eficientemente.
El número de Reynolds es simplemente un producto de la velocidad del flujo de aire  a lo largo del P.A.  y su “cuerda”(línea imaginaria que conecta el extremo delantero y trasero de un espacio aéreo), por lo tanto una “cuerda” más ancha proveerá un “numero de Reynolds” más alto, para una determinada velocidad de viento y así será más eficiente.

Texto en la ilustración de abajo: “Transformación de una sección de geometría lineal a radial, en el aspa del rotor de un molino de viento”.

Arc length: longitud del arco.

calculations to derive shape of the aerofoil section of the turbine

Traducción de “Notes”:

P0 es la coordenada del P.A. P1=P0 – Xc (traslación a lo largo de X). P2=P1* l (ascenso). (Las transformaciones no son mostradas para mayor claridad).

La sección del P.A., del aspa, elegido fue la Selig SD7032.

El próximo paso es rotar las coordenadas a la posición P3 a través del eje z para un correcto ángulo de ataque relativo a la dirección del viento aparente en el radio de las coordenadas del centro del cubo del rotor.

El perfil de la sección del P.A. da por sentado que genera un flujo de aire derecho sobre el aspa, sin embargo en el caso de  la pala del rotor una partícula de aire fluyendo sobre la pala describe un arco. Por consiguiente describir exactamente el perfil aerodinámico P.A. requiere modificaciones de las coordenadas a partir de una geometría lineal a una radial.
Para hacer esto se requiere una traslación a lo largo del eje-x en una cantidad –Xa. (en otras palabras, la coordenada x tiende a 0).
La coordenada está ahora en la posición P4.

Esto es seguido por una rotación alrededor del eje-y en un ángulo (-Xa/r) a la posición P5.

Xf es la coordenada x del P.A. file point

Y es la coordenada y del P.A. file point

Xc es la posición de la línea central de la pala o aspa relativa al borde de ataque.

Yc es la posición de la línea central de la hoja o aspa relativa a la línea de la“cuerda” del P.A.

I es la cuerda del ala en el radio r de la coordenada x (deducida en la Ecuación 1). Para analizar los cálculos ir a “caculations”en:

http://www.servocomm.freeserve.co.uk/Windpower/windrotor1/uber_frame.htm?design/doc_frame.htm

Aquí está el perfil aerodinámico (PA)  Selig sd7032.
Es de flujo laminar estilo P.A, así que debería ser razonablemente silencioso.
Con vientos de altas velocidades debería funcionar a una baja “CL” y el diagrama muestra aquí un bajo arrastre... Bueno para que el ruido sea bajo.
Se conduce razonablemente bien abajo de un “número de Reynolds” de 60.000 –que es bajo- y tiene un rango de CL... Así que todo está bien.

El problema de la suciedad en el borde de ataque, que tiende a aumentar,  permanece sin resolver.

Los datos provienen del NASG (Nihon univ. Aero Student Group) Grupo Aéreo de Estudiantes de la universidad Nihon: http://www.nasg.com/afdb/index-e.phtml
Se puede encontrar más información en la sección del Profesor Selig en la página inicial de:
http://www.uiuc.edu/ph/www/m-selig

Gráfico del perfil aerodinámico Selig sd7032 en: http://www.servocomm.freeserve.co.uk/Windpower/windrotor1/uber_frame.htm

SECCIONES DE LA PALA DEL ROTOR

La configuración final elegida para las palas del rotor,
para un pequeño molino de viento como este, el número de Reynolds en el cual la sección opera es bastante bajo, con vientos leves.
Se eligió un coeficiente de 0.7, de ascenso razonablemente bajo. Esto es alcanzable con números de Reynolds bajos sin que se atasquen.
Esto  hace que la “cuerda” calculada de la pala o aspa sea más amplia, para así incrementar el número de Reynolds levemente.

La sección de la ilustración fue generada usando el Bladecalc. Para más información sobre el Bladecalc haga clic aquí: For further information about Bladecalc Click here.

 

 

Base de datos del Perfil Aerodinámico

Y de la Curva Polar

 Buscar:

Lista:

Actualizar:

Isertar:

Help (ayuda)

NASG Home

 

Base de datos del Perfil Aerodinámico (P.A.) “Airfoil”

Esta base de datos incluye especificaciones del P.A. (contornos, espesores, proporciones, etc.) y rendimiento (ascenso, arrastre y momento) información muy amplia. Deseamos que la “Base de datos del P.A.) lo ayude a elegir o diseñar el P.A. “Airfoil”.

Estos son los servicios disponibles:

Buscar

Ud. Puede buscar datos de rendimiento de P.A. y Curvas Polares desde varias claves.

Lista

Ud. Puede ver la lista indexada de P.A. y Curvas Polares.
Ahora hay incluidas 1190 P.A. “airfoils” y 1023 Curvas Polares.

Actualización

La actualización de la información está disponible únicamente para los usuarios registrados.

Insertar

Ud. Puede insertar un nuevo dato acerca de los P.A. y Curvas Polares, Categorías de P.A. y Grupos de Desarrollo.


Especial agradecimiento a:

UIUC Sitio de Datos de Airfoil (P.A.) y XFOIL (desarrollado por el Dr. Mark Drela (Massachussets Institute of Technology)

UIUC: University of Illinois at Urbana-Champaign (Universidad de Illinois)

Bienvenidos al  UIUC Applied Aerodynamics Group's homepage (UIUC Página inicial del Grupo de Aerodinámica Aplicada). Comentarios o preguntas deberán enviarse a:                     m-selig@uiuc.edu. Busque este sitio: Search. Enlaces de Aerodinámica Aplicada: links. FAQ.

UIUC Pruebas de P.A.  de Baja Velocidad: UIUC Low Speed Airfoil Tests

Ahora está disponible información acerca de las pruebas de los P.A. de baja velocidad  para modelos de aeronaves distinto tipo, pequeñas turbinas eólicas y más en: Summary of Low-Speed Airfoil Data - Volume 3. UIUC LSATs airfoil data los  Volumenes 1, 2 y 3 están en la web. Para diseño de P.A. en la web, vaya a PROFOIL-WWW (La página de diseño de P.A. está en reparación). También, verifique la página de Mike Garton sobre la comparación de las nuevas perfomances de los Perfiles Aerodinámicos en: http://soaring.cnde.iastate.edu/calcs/frames.shtml. Este sitio le permite sacar provecho de los datos sobre los números de Reynolds bajos, para los P.A. de la UIUC LSATs.

Sitio de Datos de P.A. de la UIUC

Datos de funcionamiento, rendimiento y coordenadas de P.A. para más de 1100 PA 1100 airfoils. Los datos de perfomance, son mayormente para aplicaciones con bajos números de Reynolds. También es útil la Guía Incompleta de Airfoil Comunes: The Incomplete Guide to Airfoil Usage (563 kB) compilada y mantenida al día por Dave Lednicer. La guía incluye una enumeración de que PA han sido usados en aproximadamente 5500 aviones.

 

EXPLOTACIÓN DE LA ENERGÍA DEL VIENTO – TEORÍA Y LA EXPERIENCIA ETÍOPE

VER: http://home.att.net/~africantech/ESME/windhns1/WindHns1.htm

Teferi Taye
Igeniero Mecánico Senior
Grupo Ecuatorial de Negocios, Equatorial Business Group (EBG) Plc.
División de Energía , Addis Ababa, Ethiopia
Publicado en la Revista del ESME, (Ethiopian Society of Mechanical Engineers
) Vol. II, No. 2, October 1999
Reimpreso con el permiso del ESME por el Foro Africano de Tecnología:  African Technology Forum

RESUMEN

El documento discute brevemente la teoría fundamental de la explotación del viento derivada de algunas ecuaciones importantes como el máximo factor de potencia alcanzable, las distintas fuerzas y momentos y sus tensiones  resultantes. La experiencia del autor en las dos últimas décadas en el esfuerzo y desarrollo de la explotación de la energía del viento es resumida. Finalmente, el autor está a cargo de la empresa de poner en práctica las iniciativas tomadas por el EBG (Equatorial Business Group) para que este sistema de elevación de agua esté al servicio de la sociedad.

Energía del Viento: Energy From The Wind 
Factor de Máxima Potencia (Cp):  
Maximum Power Factor (Cp
                                                                                                                                             Fuerzas de Bombeo para Cargar:   Pump Load Forces
Fuerzas en las Hojas del Rotor :  
Rotor Blade Forces                                                           
Tensiones en los Rayos del Rotor en el Cubo:  
Stresses in the Rotor Spoke at the Hub 
Cálculos de las Tensiones Combinadas:   
Calculation of the Combined Stresses 
Dimensionado de una Bomba de Viento:
Sizing of a Windpump 
Valoración del Requerimiento de Agua:   
Assessment of Water Requirement 
Calculando el Requerimiento de Fuerza Hidráulica:   
Calculating the Hydraulic Power Requirement 
Determinando los Recursos Disponibles de la Potencia del Viento:
Determining the Available Wind Power Resource 
La Experiencia Etíope: T
he Ethiopian Experience 
Fuentes de Viento:
Wind Resource
Autoridad Etíope de Recursos Hídricos: 
Ethiopian Water Resources Authority (EWRA)
Misión Presbiteriana Americana en Omo: 
American Presbyterian Mission at Omo
Universidad de Addis Abeba: 
Addis Ababa University (AAU)
 Asociación Internacional de Voluntarios Laicos: 
Lay Volunteers International Association (LVIA)
La Experiencia en la Investigación y Desarrollo de Servicios de la Autoridad Etíope de Construcción de Obras Sanitarias:  
The Experience of the Research and Development Services (RADS) the Ethiopian Water Works Construction Authority (EWWCA)
Iniciativas del
Equatorial Business Group's (EGB) Initiatives
Coclusión:
Conclusion

AQUÍ TERMINA LA PÁGINA DE DISEÑO DEL ROTOR AHORA VAMOS A: “Blade Calc”

Bladecalc.exe – Página de Información.

Imagen producida usando un bastidor DXF o “armadura de alambre” producido desde el Bladecalc.exe

Generación e impresión de las secciones de las plantillas para las palas de un rotor de un molino de viento, como se describe en el capítulo para la construcción:

 

 

 

BladeCalc

Velocidad del viento = 5m/s (11.2 m.p.h.) 20,75 Km/h.                                                                                                                                                               Velocidad pico = 72,579 m.p.h. ( 134,48 Km/h.)                                                                                                                                                                        r.p.m. = 286,5                                                                                                                                                                                                                Potencia de salida pronosticada = 146,63 Watts                                                                                                                                                                 Potencia Disponible (Betz) = 165,14 Watts                                                                                                                                                                                 Eficiencia = 88,8%                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     

Las dimensiones de una pala , terminada, están determinadas por únicamente tres parámetros:

·    Velocidad del viento requerida.

·    Potencia de salida requerida (shaft).

·    Revoluciones por minuto requeridas.

Todos los parámetros son modificables, como:

·    Raíz del diámetro y punta.

·    Número de palas.

·    Sección del P.A.

·    Funcionamiento CL

·    Cociente de la velocidad  pico.

·    Espesor del entablado.

·    Espesor del ribete del molde.

También genera la entrada DXF adaptable para la entrad a un  programa CAD tal como el AUTOCAD, mostrado más arriba.

Predice la potencia de salida y suministra información para diseño sobre números de Reynolds, velocidad pico etc.

Para más detalles contácteme: mailto:andy@servocomm.freeserve.co.uk

 

LA HÉLICE EÓLICA

El primer requerimiento fue construir una matríz para el molde. Un programa fue escrito para generar plantillas de secciones para hacer la matriz. El programa usado está disponible, si usted desea intentarlo, en: .  BladeCalc

CONSTRUYENDO EL GALIBO PARA EL ROTOR

Aquí está el galibo ensamblado... Que se muestra más abajo.

La sección fue impresa en una impresora laser en papel A4.  Esta fue extendida encima de una chapa y pinchado a través de la chapa de  4mm.

El recorte se hizo con una sierra, s embargo se puede usar una sierra de calar o ¿coping saw?
Después de alguna práctica con estas herramientas, se requiere un poco de limpieza.

El próximo paso es colocar las planchas...

 MANERA DE ENTABLAR

Las tablas de la parte de abajo han sido acostadas. Y el entablonado está en vía de ejecución en la superficie superior.

Advierta las costillas que sirven de apoyo para las tablas superiores. Usando las plantillas como una guía,  las costillas han sido confeccionadas en su tamaño correcto.

Como la intención fue construir una matriz para molde, usé tablas o chapas de balsa de 3mm,  sin embargo el sistema podría usarse para producir una hélice de rotor usando un enchapado tipo construcción naval o una madera como el pino spruce (abeto).

El “borde de flujo”( parte opuesta al borde de ataque) ha sido lijado para permitir el ajuste de la parte superior de las plantillas. Esto deja el borde de flujo muy blando, sin embargo se debería endurecer cuando la cubierta de fibra de vidrio sea aplicada.

 

upper surface planking in progress on the rotor blade plug

 

 

HÉLICE Y CUBO FORRADOS

La matriz de la hélice o pala  ha sido forrada con fibra de vidrio. Un regatón o punta redondeado ha sido añadido, diseñado para reducir el ruido en la punta debido a la turbulencia de la punta. Después del forrado, las plantillas fueron aplicadas y llenada y terminada la envoltura. En el fondo se puede ver el cubo o centro del rotor. Este será unido a la pala y  añadido a una tira o tapajuntas liso. No obstante, es más fácil trabajar en las dos partes separadamente así planee conseguir un buen acabado del aspa antes de unir las partes.

 http://www.servocomm.freeserve.co.uk/Windpower/windrotor1/uber_frame.htm hub part

 


 

blade skinned and faired with hub

 

UNIENDO EL CUBO Y LA MATRIZ DEL ASPA

 

El aspa ha sido unida al cubo y añadido una generosa banda o tira.

La unión entre las dos mitades ha sido terminada, así, únicamente un molde de dos partes es requerido. El cubo ha sido lijado para conseguir una suave curva entre el cubo y el aspa.

Ahora el proceso de pintado y modelado aerodinámico debe continuar hasta lograr un pulido altamente fino.

joined hub plug being faired

 

PREPARANDO EL VACIADO DEL MOLDE

Aquí vemos la pulida matriz lista para hacer el vaciado del molde.

 

set up for casting the mould from the plug

 

 

 

MOLDE TERMINADO

 

Las dos mitades del molde están listas para vaciar las palas o aspas del rotor.

 

set up for casting the mould from the plug

MÁS INFORMACIÓN Y NUEVOS ENLACES

Traducción, compaginación y edición: Jorge East.                                                                 Octubre de 2002.