Video de desarrollo proyecto DM1

Predicción de Falla

En un primer modelo ocupamos el Modelo Virtual diseñado en Inventor para un análisis vía software. Usamos el ensamble de piezas mostrado a continuación, fijando únicamente la parte superior. Luego simulamos una carga ejercida, la cual variaremos para observar los cambios y los puntos de mayores tensiones, usamos como material PVC, dado que es el que más se asemeja a nuestra construcción.
Simulaciones:
Observamos dos máximos de tensiones, ubicados en el punto de anclaje y en la sujeción de la hélice al eje-marco, graficamos esos máximos en la tabla mostrada a continuación de la imagen de la simulación, en un Análisis de Von Misses.

Se predijo que el dispositivo presentaba el mayor estrés de tracción y corte en la base del soporte y que por lo tanto se rompería ahí en caso de aplicarle una fuerza hasta que fallara.

Durante el ensayo físico el generador eólico fallo exactamente en el lugar predicho. La falla se produjo en la placa de madera pegada a la viga que sujetaba el dispositivo al soporte. En ese punto la capa de madera inmediatamente debajo del pegamento se desprendió como se suponía.

META DE PESO

El Dispositivo construido quedó finalmente así:

Tuvo un peso del dispositivo: 330 Gramos

¡Meta cumplida!

COSTOS Y PESO FINAL

Costos

Tuberia de PVC: Obtenida de desecho

Pernos y tuercas: Obtenidas de desecho

Perfil de madera pino: $1.490

Placa de madera 25x25: $200

Abrazaderas de PVC: $680

Helice: $7000

Teflon $100

TOTAL $9470

¡Restricción presupuestaria cumplida!

Predicción de flexión en aspas

Usando el software Inventor y un modelo aproximado de la hélice y sus tres aspas hemos logrado ver cuanta será la deflexión en el extremo de cada una de éstas producto del viento.

Usando la formula de presión de viento

P = ½∙p∙v2∙F

Usando los siguientes datos,

- p: Densidad del aire 1.25 kg/m3, v: velocidad del viento (5-7 m/s) y F: factor de Forma
- Medidas de la hélice: Radio 20 cm, Espesor: 4 cm (ancho máximo)

Hicimos 3 simulaciones con diferentes parámetros y rango de presiones, siempre fijando nuestra hélice en el punto dónde iría el eje.

Presentamos a continuación las Zonas de Stress Máximo y de desplazamiento, representadas por escala de colores, Rojo = Zonas de valores Altos, Azul = Zonas de valores bajos.

Simulación 1

Material: Plástico ABS, Presión = 20 Pa

Simulación 2

Material: Plástico ABS, Presión = 2000 Pa

Simulación 3
Material: PVC tuberías, Presión = 2000 Pa

Resultados

Análisis

Luego vemos que por las cargas ejercidas, no existe deflexión observable en los extremos de las aspas para las cargas y materiales testeados, lo que revela que el viento ejerce muy baja presión como para lograr flexiones en el material. A mayores velocidades la presión aumenta de manera No lineal, por lo que para mayores escalas de tamaño la deflexión podría entrar a ser una variable a considerar dado la mayor distancia entre Apoyo – Extremo de la Pala y también mayores Presiones. Luego no existen deflexiones observables producto de la fuerza del viento.

Planos de Diseño

Se diseñaron planos en Inventor, las unidades se muestran en milímetros y son los más aproximados al diseño final deseado.

La Primera imagen muestra las vistas frontal y lateral mientras que la segunda nos muestra una vista 3d del modelo.

A continuación se muestra el detalle.

Selección de modelo

Para poder decidir qué dispositivo es más afín a las necesidades y requerimiento de la competencia el equipo propuso 6 criterios diferentes, medidos como alto, medio o bajo, que permiten apoyar la toma de decisiones.

Es posible observar que el modelo de aerogenerador clásico tiene mayor eficiencia y menos peso que el modelo vertical, además el primero es más simple y estético. Sin embargo tiene un costo de fabricación más alto y la manufactura se hace complicada por lo tanto surge la

necesidad de adquirir las aspas hechas.

Dado que se dispone de $10.000 y además existe la posibilidad de ocupar materiales de

desechos, para cualquiera de los modelos se está en condiciones de cumplir la restricción presupuestaria, la única diferencia en este sentido radica en la asignación de los recursos.

Luego procedimos a asignarle una ponderación a cada criterio y un valor de acuerdo a la tabla anterior, con lo que llegamos a un total, lo que nos permitió tomar una decisión objetiva.

Podemos ver que el puntaje más alto lo obtuvo el aerogenerador clásico, por lo que el equipo se decidió por éste modelo.

Foto esquemática del modelo elegido.

Consideraciones sobre el peso

Es importante remarcar que habiendo elegido el aerogenerador de eje horizontal (o clásico), el peso de la hélice, eje y rodamientos significan un peso relativamente bajo comparado con el peso de la estructura de soporte.

Además, ya que hemos adquirido la hélice y por cierto que debido a su tamaño los esfuerzos por reducir el peso en esta sección no implicarían una gran diferencia en el peso final.

Bajo este criterio, nos enfocamos especialmente en crear una estructura que soporte al dispositivo lo más liviana posible, sin comprometer la estabilidad de este último.

Fabricabilidad del aerogenerador

Sin importar el material escogido para el soporte del dispositivo, es relativamente fácil construirlo, pues se trata de una viga simple o un reticulado. Así, el criterio predominante para escoger un determinado diseño es fundamentalmente guiado por el peso de la estructura y por el precio de conseguir los materiales.

Ahora bien, fabricar las aspas de un material suficientemente

resistente y con la geometría adecuada para lograr una eficiencia aceptable es un proceso relativamente complejo y lento. Por lo tanto se ha optado por adquirir las aspas en el comercio, gastando cerca de un 70 % del presupuesto en la parte más importante del dispositivo.

Para hacer el eje y conseguir los rodamientos se buscarán materiales de desecho para abaratar costos, como por ejemplo ruedas de skates en deshuso.

Prototipo Virtual

De acorde con el modelo elegido (Wind Turbine), hemos diseñado en inventor un prototipo virtual esquemático de cómo será el modelo final.

En consideración de las piezas y partes con las que contará nuestro modelo se explicitan a continuación:

-Tapa frontal redondeada
-Rodamientos
-Eje Central
-Carcasa
-Soporte

El modelo virtual de las piezas se presenta en la siguiente imagen.

Un esquema de cómo se ensamblarían los diferentes componentes queda exhibido en la siguiente imagen.

Los materiales aún no están definidos, pero la prioridad serán que cumplan las especificaciones detalladas en la correspondiente entrada tanto en peso como en resistencia.

Soporte

Hemos descartado el diseño que contemplaba el cable en los extremos debido a que el poco peso que presenta la hélice adquirida. El diseño horizontal fue descartado por la mayor complejidad que presenta la manufactura de las piezas presentaría respecto a la hélice comprada.

Para garantizar el correcto funcionamiento del soporte, una de las mejores opciones en cuanto a resistencia, la presenta un perfil tipo I o L, por simplicidad de diseño, usaremos un perfil en forma de L, el cual tendrá perforaciones en la parte inferior para sujetar el soporte inferior, y en la parte superior lo uniremos con una placa, para sujetarlo al anclaje designado.

Si bien todavía no elegimos el material del soporte, este debe ser liviano y resistente, además de presentar la geometría en L, por lo tanto nuestras opciones se acotan y dentro de estas priorizaremos las que podamos obtener de la reutilización de ciertos elementos, por ejemplo, estructuras en desuso, marcos de ventanas, etc.

Eje mecánico

Para seleccionar el tamaño del eje y forma de acoplamiento indicada se debe tener en cuenta:

- Costo de las partes, piezas y materiales

- Roce generado por el acoplamiento(Potencia perdida)

Los rodamientos tienen más eficiencia mecánica pero tiene más costo.

Un descanso mecánico es más simple, barato y facil de construir pero tiene mas roce.

El roce en descanso depende del largo y grosor del eje y del tubo, además de la viscosidad del aceite lubricante. Por lo tanto si el eje es corto es posible no poner rodamientos y tener eficiencia aceptable.

Además el eje puede ser lo suficientemente "largo" para poder afirmar la hélice y el dinamómetro, pero debe tener un ancho tal que el material puede tener cierta rigidez de modo que la vibración debida a la deflexión del eje no haga colapsar el atril donde se sujeta el mecanismo.

Especificaciones de viga

La distancia a la que deberá estar el dispositivo del soporte es de 0,7m, por lo que la estructura que conecte ambos es de un tamaño importante frente al dispositivo mismo. Así, se deben considerar materiales de baja densidad y alta resistencia para cumplir las necesidades de relación potencia/peso, así como de una geometría (perfil) que permita la mayor razón peso-resistencia.

En el caso de la turbina de eje horizontal habrá que colocar una viga vertical y una horizontal, lo que implicará una concentración de los esfuerzos en la conexión de ambas. Para lograr una resistencia suficiente la superficie que conecte ambas deberá ser lo mayor posible para que la fuerza se disperse en la mayor superficie posible. Por lo mismo, es adecuado elegir una viga cuadrada ya que maximiza lo que buscamos, así como es de fácil manipulación.

Además para este caso podemos utilizar una configuración triángulo de vigas para disminuir la concentración de esfuerzos como se muestra a la izquierda en la figura y como ya se mencionó en la entrada anterior, el elemento en diagonal de soporte puede ser tanto un cable como una viga, aunque se prefiere el cable por su menor peso. Aún así debido a posible vibraciones podría ser preferible una viga.

Para el caso de la turbina de eje vertical no tenemos el problema de conectar dos viga pero igual debemos usar una de baja densidad y alta resistencia.

Materiales que podemos utilizar son el Aluminio, la Madera de Raulí, Madera sólida de Pino y Plástico PA.

A continuación posibles perfiles de la viga:

Soportes

Si bien el diseño de nuestro dispositivo, se centra principalmente en la hélice, es necesario diseñar el soporte que sostendrá a esta, es por esto, que proponemos las siguientes ideas.

Idea 1
Este soporte corresponde a la clásica hélice de un generador eólico

Idea 2

Corresponde al mismo concepto anterior, solo se agrega un soporte superior que sostiene un cable que se conecta en los extremos, el cual ayuda a reducir el esfuerzo en la viga principal.

Idea 3

Este soporte, corresponde a un aspa que gira en sentido vertical.

Idea 4


Usando la misma aspa que en la idea anterior, pero esta vez girando en sentido horizontal. El problema que presenta este tipo de aspa es que el flujo de aire que choca con la parte cerrada del aspa, quita velocidad de giro, es por esto que se debe redirigir el flujo de aire de esta hacia la parte superior, para esto agregamos una cuña que redirige la corriente de viento hacia arriba.

Diseño de la Hélice

La hélice en un aerogenerador es la encargada de extraer energía al viento, por lo tanto es clave elegir o diseñar una acorde nuestras necesidades.

Debemos poner especial atención en la cantidad de aspas y el paso de la hélice, así podemos tener diferentes combinaciones de fuerza y potencia

La velocidad angular (w) de la hélice obviamente es constante pero no así la tangencial (Vt)

En esta imagen se puede observar como la distribución de velocidad a lo largo de la hélice varía según la posición.

Es decir en los extremos la velocidad es mayor que en el centro, esto se debe a que la punta del dispositivo recorre una mayor distanciar en la misma cantidad de tiempo que el resto de la hélice.

Ahora, la energía que podemos extraer de la hélice depende del paso de este misma y dado que la velocidad de cada sección es diferente, debemos variar el paso de forma tal de hacer trabajar cada sección de la hélice de la forma mas eficiente posible. Además de solicitar cada sección de la misma manera y rotarla en equilibrio.

En esta figura es posible apreciar como varía el paso de la hélice según el radio.

Ademas cada aspa que se agrega tiene eficiencia decreciente pero positiva, es decir en terminos aerodinámicos es conveniente poner tantas aspas como sea posible, pero también se le agrega peso al sistema.

Es necesario también escoger un paso de hélice tal que nos entregue las rpm deseadas según la velocidad del viento, de esta forma estaremos sobre un intervalo eficiente dentro de la curva de potencia-torque. Para bajas velocidades necesitamos una hélice de bajo paso y viceversa.

Aspas

Las turbinas tradicionales cuentan con 3 aspas de gigantescas dimensiones, ¿Es necesario seguir esa corriente?

Las dimensiones son totalmente distintas, siendo que los principios físicos son los mismos, nuestro requerimiento de potencia y peso difiere en al menos un par de órdenes de magnitud, por lo que en esta entrada estudiaremos posibles diseños que incluyan más que el típico trio de aspas.

Análisis de cada aspa:

Siguiendo el estudio de un diseño de una turbina eólica de 5KW, vemos que la potencia obtenida frente a viento variable, con aspas de 2.5 metros y con área superficial respectiva de 9.77m2, es la explicada en el siguiente gráfico:

El diseño y la prueba de Fatiga se Muestran(Realizadas por la U. of Newcastle, Australia) en la Siguientes imágenes:

el siguiente diagrama muestra en rojo los sectores que se ven sometidos a mayores esfuerzos y momentos flectores:

Luego es posible concluir que un diseño de 5 aspas puede aportar mayor potencia, dado que se restringen los largos de las aspas permitiendo con esto disminuir los esfuerzos. Es probable que se aporte turbulencia y esto baje velocidad de rotación de la turbina, bajando la generación de potencia. Posteriormente elegiremos el número de aspas que en nuestro caso aporte más potencia controlando la turbulencia y esfuerzos.

Es importante recalcar que se hará un esfuerzo para que las aspas sean de un material reciclado, como latas de bebida.

Restricciones Diseño Horizontal

En caso de optar por un diseño horizontal de eje con respecto al viento, especificaremos algunas restricciones con el fin de ir acotando nuestro proyecto a las necesidades requeridas.

Dado que queremos lograr maximizar la relación Potencia/Peso, estableceremos algunas especificaciones, que se basan en los siguientes supuestos.

- El soporte debe ser lo más liviano posible, considerando máxima resistencia al torque, la elección del material será tan importante como el diseño de este.

Posibles materiales: Aluminio, Madera de Raulí(palitos de maqueta), madera solida Pino, Plástico PAI.

-La hélice concentrará el mayor tiempo de trabajo, diseño y pruebas, con el fin de obtener la máxima eficiencia de conversión eléctrica(entre 10% y 20%).

- El eje de transmisión deberá ser rigido, liviano y de bajo costo, en conjunto con soportes que aporten con el mínimo de roce posible. Diseño tentativo de Aliminio, PVC, PAI o madera, con rodamientos de soportes y una estructura que mantenga la rigidez y el diseño.

Restricciones tentativas.

Peso: Menor a 2 kilos, minimizando al máximo en relación a la potencia producida.

Diseño: Vertical tipo Wind Turbine con aspas de material liviano y resistente.

Potencia: lograr un 15% de eficiencia en relación al viento capturado (20% del generado por el ventilador)

Prueba de Torque: soportar 50Nm (10 kilos a 1/2 metro).

Diseño Seleccionado :Vertical

Aunque es un diseño menos convencional es una alternativa viable por su facilidad de construcción. Generalmente se trata de aspas o velas (puede ser de tela o de algún material rígido) rotatorias que giran alrededor de un eje vertical. Por esta razón las aspas aportan energía el 50% del tiempo y el otro 50% del tiempo restan.

Ventajas:

• La estructura principal es más fuerte ya que no necesita orientar el eje hacia el viento. Además esto mismo hace que su construcción sea más simple.
• Es una alternativa inovadora y existen múltiples diseños posibles a los que recurrir.
  La velocidad de viento necesaria para el arranque es menor que en las de diseño horizontal.
• No necesitan ser orientadas en la dirección del viento porque son simétricas con respecto al eje.
• Las aspas utilizables son de fácil contrucción. Por ejemplo se puede utilizar latas de bebida cortadas por la mitad.

Desventajas:

• Menor eficiencia con respecto a las de diseño horizontal.
• Como la fuerza en una sección del recorrido de las velas es mayor el sistema está intrinsicamente desbalanceado por lo que pueden haber vibraciones. Además el eje estará más exigido y será más propenso a fallas por fatiga.
• Las velas reciben una fuerza en una cara parte del tiempo y y el resto en la otra. Este cambio del sentido de la fuerza ocurre dos veces por ciclo por que hay una mayor probabilidad de falla por fatiga.

Diseño Seleccionado: Clásico (Horizontal)

Aerogenerador típico

Este es el tipo de aerogenerador más usado en el mundo, es el más conocido y popular.

Consta de una o más aspas que extraen la energía del viento, luego de un eje que transmite la potencía y un generador eléctrico(que no usaremos en nuestro diseño), luego esto se ubica sobre un soporte de sección circular (en nuestro caso tendremos que soportar la turbina desde arriba).

Ventajas :

• Es facil y barato de construir: Solo se requiere de las palas
  de hélice, un eje de transmición y un soporte para sostener el
  dispositivo.
• Es de bajo peso ya que tiene poco material.
• Es un formato probado y seguro.Es simple dado que tiene pocas piezas mécánicas => menos fallas.
• Es más eficiente, dado que se puede hacer variar el paso y trabajar
  siempre en punto de maxima eficiencia.

Desventajas:

• Diseño convencional y menos innovador.
• Se deben comprar las aspas, debido a su difícil fabricación.

Prototipos viables verticales

Análisis de potencia en el rotor

Para calcular la potencia que extraemos del aire ocupamos La ecuación de la física clásica :

Ecuación que nos permite relacionar la potencia generada con la velocidad. Cabe mencionar que en este caso la derivada de la masa respecto al tiempo es el flujo a través de una sección de area

Luego dado que no es posible extraer toda la potencia del viento, porque eso implicaría detener el aire a la salida del aspa, la potencia extraíble del viento estará dada por la diferencia de velocidades entre el viento de entrada V y el de salida Vo:

Por otro lado, se puede suponer que la masa de aire que atraviesa la turbina lleva una velocidad promedio entre V y V0. Por lo tanto, la potencia extraíble del viento puede expresarse como:



Acomodando términos en la expresión anterior



A la expresión:



se le denomina coeficiente de potencia del rotor, o eficiencia del rotor, el cual tiene un valor máximo igual a 0,59 cuando la velocidad de entrada V es tres veces la velocidad de salida V0. Por lo tanto, la máxima eficiencia obtenible es sólo de 0,59. En la práctica solo se llega como máximo, a valores cercanos a 0,5.

Fuente: Apuntes del curso generación de energía eléctrica IEE3252 I-2100 P.U.C

¿Cómo es posible extraer energía del viento?

Cualquiera sea el dispositivo seleccionado para extraer energía del viento, todos funcionan gracias al efecto venturi y a la consevación del lineal.

Al igual que las alas de un avión (que generan sustentación) las aspas de un aerogenerador generan fuerza que las hace rotar. De hecho cada sección de las aspas son pequeñas "alas".

Haciendo conservación de momento para flujo laminar y luego derivando con respecto al tiempo, se obtiene la fuerza que genera la desviación del flujo. Luego sumando la diferencia de presión que se genera por el "efecto venturi" se obtiene la fuerza teórica que genera el dispositivo.

Esta expresión se puede multiplicar por la velocidad promedio y de este modo se puede obtener la potencia generada, solo conociendo el flujo de aire incidente y el paso de la hélice en cada parte.

En fin, con un dispositivo como este, podemos descomponer parte de la "fuerza" del viento para generar energía mecánica.

Posibles Diseños

Existen dos tipos de generadores según la orientación del eje de trabajo y rotación de la turbina, pueden ser: turbinas de eje horizontal o vertical.

Estableceremos un análisis basándonos en Ventajas vs Desventajas (Tabla 1).




Turbinas de eje horizontal



Molinos (Siglo XII)
Uso Principal: Bombeo Agua y molienda.





Molinos Multipala (Siglo XIX)

Uso Principal: Bombeo de agua.



Aerogenerador

Uso Principal: Generación eléctrica en parques eólicos.



Turbinas de eje vertical



Giromill

Uso Principal: Aplicaciones de alto torque a baja velocidad.




Savonius
Uso Principal: Aplicaciones de baja potencia y altas prestaciones(baja mantención).




Darrieus

Uso Principal: Aplicaciones con pocas Prestaciones (alta eficiencia)