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)

Necesidades y especificaciones

Deseamos diseñar un dispositivo de conversión de energía eólica que sea de tamaño compacto y transportable, además debe tener un precio que represente un incentivo a usar energías renovables, es decir, que al largo plazo el costo sea similar al uso de otras fuentes no renovables.
En particular el dispositivo debe poder ser transportado por una persona y al momento de instalarlo, no debe presentar mayores dificultades. En cuanto al prototipo experimental que construiremos, no debiera tardar más de 6 minutos en ser instalado en la plataforma de prueba, con respecto al valor de éste, tiene que ser inferior a $10.000 pesos, debido a que usaremos materiales en desuso o reciclados de algún artefacto viejo.
El dispositivo debe lograr la mayor razón de peso potencia dada la energía (velocidad, presión) del viento.

Entonces para construir nuestro aerogenerador no solo necesitamos materiales baratos y accesibles, además deben ser resistentes y eficientes en la utilización de material según las cargas a las que estarán sometidos los componentes.

Es importante mencionar que el dispositivo tendrá que contar con un cierto grado de innovación de acuerdo a los criterios del concurso.

Para el dinamómetro será necesario traspasar la potencia mecánica a un eje de al menos 3cm de largo y 1cm de diámetro.

Especificaciones:

Peso menor a 500 gr.
Precio de fabricación del prototipo: menor igual a $10.000
Tiempo de armado: menor igual a 6 min.
Eficiencia: mayor al 18%

Área de prueba:

El soporte en el techo estará a 2m del suelo y el eje del ventilador estará a 1,3m de éste, lo que nos deja una distancia de 0,7m que tendrá que ser cubierta por una viga que sea tanto liviana como resistente a los esfuerzos que será sometida.

Además el ventilador proporcionará un flujo de aire de área desconocida (se estima que las aspas del ventilador serán alrededor de 1m de diámetro por lo que el flujo será de una sección mayor a un disco de éste diámetro). De acuerdo a esto nuestro dispositivo (sin contar el soporte) tendrá que ser menor a este tamaño para localizarse en la parte más uniforme del flujo de aire.