Diseño aerodinámico de un generador eólico

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  • Publicado : 25 de octubre de 2010
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Diseño aerodinámico del generador eólico.
Para el diseño de un rotor de un generador eléctrico existen una gran cantidad de variables, que definen el comportamiento dinámico de las palas que generan el movimiento de rotación. Es por ello que partiremos de una serie de suposiciones que nos permitirán facilitar el cálculo de las dimensiones y características del aerogenerador.
Debemos tomar encuenta que la tecnología eólica se ha orientado desde el principio como la búsqueda de la baja inversión antes que la mejora del rendimiento. Las máquinas deben cumplir con las condiciones de simplicidad, fiabilidad, y robustez desde la etapa del diseño.
Parámetros aerodinámicos
Las condiciones en que se desenvuelven los generadores son afectadas por las características físicas del aire. Un rotores diseñado teniendo en cuenta las características del aire y ambientales exclusivas del lugar donde va a ser colocado.
Requerimientos de diseño
Dentro de éstos se incluye la potencia esperada, la tensión de salida, el tipo de corriente y el tipo de rotor.
Para la selección del tipo de rotor se tomó en cuenta la facilidad de construcción, la información al respecto y la facilidad demantenimiento. El rotor elegido es de eje horizontal, lo que implica un sistema de orientación adecuado. Se espera un potencia a la salida de unos 6W a 12V de corriente alterna.

Figura [ 1 ]: Corte de una sección y forma del posicionamiento del perfil en la pala del aerogenerador
Análisis aerodinámico.
El perfil es la silueta que se obtiene de hacer un corte en un objeto. Distintos perfiles en unahélice tendrán distintos efectos en el desempeño del sistema. Debemos usar un perfil que proporcione el mayor número de coeficiente de levantamiento, manteniendo bajo el coeficiente de arrastre (fricción). Hemos seleccionado el perfil NACA 4421 a partir de la experiencia, como un perfil robusto y con buena relación levantamiento/arrastre.

Figura [ 2 ]: Diagrama de velocidades y característicasdimensionales de un perfil aerodinámico.
Para comenzar, calcularemos el radio del rotor, o lo que es lo mismo, la longitud de una de las palas. El radio del rotor se puede calcular de :

Siendo R el radio del rotor, Paer la potencia total del aerogenerador, rho la densidad del aire, Cp el coeficiente de potencia, heta el valor de eficiencia del sistema y V la velocidad del aire a la cual gira.La potencia aerodinámica se propone como la potencia total del conjunto. Hemos propuesto una potencia de 15W tomando en cuenta que el generador eléctrico debe generar 6W y sabiendo que parte de la energía que se trasmite desde el rotor al generador se perderá en forma de vibración o calor.
Una vez propuesta la potencia total, calcularemos la potencia que debe entregar el rotor. Ésta se definecomo:

Donde heta es la eficiencia del sistema, que hemos considerado de 85%. De ahí que la potencia del rotor debe ser Prot=17.64W
El coeficiente de potencia Cp define la capacidad del generador de convertir la energía eólica en energía mecánica. Depende del número de palas, del coeficiente de velocidad en la punta de la pala (lambda) y de la relación levantamiento/arrastre.
El número de palas sepropone de tres, dado que se piensa en la economía del diseño y en que el coeficiente de potencia deja de aumentar significativamente con un número de palas mayor a 3. La velocidad en la punta de la pala se obtiene de una lista de valores prácticos, siendo para 4 palas, lambda=4. El ángulo de ataque, definido como el ángulo que guarda la cuerda del perfil con la dirección relativa del viento. Sepropone en 6°. Dado que para ése ángulo, la tabla muestra la mejor relación levantamiento/arrastre.

Tabla [ 1 ]: Características aerodinámicas del perfil NACA 4412
Donde se tiene:

Las características del perfil arrojan un valor específico para el coeficiente de potencia

Gráfica [ 1 ]: Relación de Cp contra lambda para un rotor de 3 palas y diferentes valores de Cd/Cl
La velocidad...
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