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).