Diseño

Primer Diseño

En la actualidad las turbinas que alcanzan una mayor eficiencia son las de eje horizontal. Además, como debemos crear una turbina que reciba viento desde una dirección específica, no debemos preocuparnos de que se ajuste a la dirección del flujo, lo que hubiera sido una de las razones importantes para la elección de una turbina de eje vertical. Por otro lado, dado que no tenemos problemas con respecto a la altura que debe tener la turbina como se presenta en turbinas comerciales, han sido eliminados todos los grandes problemas que presentan las turbinas eólicas de eje horizontal (o HAWTs). Por esta razón, lo más prudente será escoger este tipo de turbinas. [5]

Por otro lado, hay que escoger el número de aspas que tendrá la turbina. Nosotros hemos escogido una turbina de tres aspas, debido a que esto la hará más resistente y más fácil de modelar que una turbina con una menor cantidad de aspas. Por otro lado, no se escoge un mayor número de aspas dado que esto implicaría un aumento en el precio, en el peso del rotor, que a la vez tendría que ser soportado por la torre, y en la velocidad de arranque, dado que aumentaría el momento de inercia del rotor. Dadas estas razones, se escoge la turbina de eje horizontal con tres aspas. [5]

Además, hay que elegir si se utilizará una construcción liviana o pesada. Ambas tienen sus ventajas y desventajas. Las mayores diferencias que presentan consisten en el precio de construcción, en la resistencia que presentan y en la eficiencia que alcanzará. Consideramos que lo más importante será que la turbina aguante las mayores velocidades del viento posibles, por lo que lo más sabio será escoger una construcción pesada. [5]

En resumen, se decide construir la turbina con un eje de rotación horizontal, con tres aspas y con una construcción pesada y resistente. Esto se ve representado en la imagen que se adjunta a continuación:

Con respecto a este diseño se pueden hacer varias predicciones sobre qué podrá ser mejorado después del primer ensayo. En primer lugar, dado que será tan maciza la turbina, la eficiencia puede ser relativamente baja. En segundo lugar, dado lo pesado del diseño puede que la velocidad de arranque sea muy alta. En último lugar, dado el porte del diseño puede que no quepa en el túnel de aire así que habrá que visitarlo antes (o después) de construir el primer prototipo.

Diseño 3D (utilizando programa CAD)

Como podemos ver en la sección del análisis matemático se realizo un procedimiento extenso para encontrar los resultados pertinentes en el estudio de las turbinas eólicas. Sin embargo, es poco lo que se puede concluir exacta, e incluso aproximadamente, referente a éstas. En particular, la velocidad angular que mantendrá la hélice al ser instalada es un parámetro extremadamente difícil de encontrar, en especial al no conocer el torque proporcionado por el generador sobre la turbina. Dicho esto, haciendo algunas estimaciones a consciencia podemos encontrar ciertas aproximaciones de los resultados esperados del proyecto. Así, mostramos el diseño al que hemos llegado después de analizar las fuentes encontradas y los cálculos realizados.

Nuestra turbina será ensamblable. Esta decisión se tomó por motivos de comodidad, ya que para hacer cualquier modificación a ésta, dada su estructura, será muy difícil si carece de esta característica. A continuación se muestran distintas perspectivas que detallan el diseño finalizado. El modelo completo fue realizado en el programa Pro Engineer PTC.

Como se puede apreciar de estas primeras imágenes, la turbina es de un tamaño considerable y presenta una estructura muy maciza. Esto se enfatizó aún más que en el primer diseño, ya que dadas las velocidades a las que será sometida la turbina ésta tiene que ser muy resistente. La fuerza de arrastre no debe poder deformar la estructura, de modo que el torque, y así la potencia, sean máximos. A continuación se explica detalladamente cada una de las partes que componen la turbina.

(1): Éste es el eje de la turbina. Presenta cambios en el diámetro a lo largo, de modo que puedan ser fijadas las distintas partes y no se muevan provocando fuerzas indeseadas en el diseño. La punta frontal del eje tiene una forma aerodinámica que minimiza la fuerza de arrastre sobre el mismo eje y desvía el viento hacia las aspas. El material con el que se construirá este eje pretendía ser metal, por su resistencia y confiabilidad, pero dada la complejidad de la pieza será construida en madera en un primer prototipo.

(2): Éstas son las aspas de la hélice. Presentan un ángulo de ataque de aproximadamente 30°, magnitud que fue explicada en la sección de análisis matemático. Se pretendía hacer las aspas de plumavit de alta densidad. Sin embargo, se reconsideró este material por ser frágil y por la dificultad que presenta para hacer figuras que presenten más fuerza de sustentación. Dicho esto, se decidió crear estas aspas utilizando una impresora 3D, para que la forma sea precisa y sean resistentes frente al viento.

(3) y (8): Éstas son chavetas. Estas piezas se introducen entre las piezas que están adyacentes a ellas para fijarlas en cierto lugar. Serán utilizadas para que no se corran las distintas piezas y serán hechas de madera, probablemente, por su fácil construcción y su resistencia.

(5) y (11): Estos son rodamientos corrientes. Serán fijados a las torres y al eje para permitir una rotación con la menor cantidad de fricción posible. De otra forma, la fricción disminuiría significativamente la potencia generada, por lo que estas piezas son la mejor opción. Serán compradas en el mercado y son de acero.

(4), (10) y (13): Estos son distanciadores. Serán colocados en dos partes del eje para separar distintas partes del diseño. Serán incorporados para no permitir que se origine fricción entre las distintas partes que se encuentran adyacentes al eje. Se colocarán entre el rodamiento y la pieza adherida al eje para permitir que éste rote libremente. Serán hechos en madera, por su resistencia y fácil trabajado.

(6) y (7): Éstas son las torres que soportan todo el aparato. Serán construidas de madera por su fácil trabajado y su resistencia. Se utilizarán dos torres en vez de una como se había pensado en el primer diseño para que el eje pueda rotar en la misma línea y para que no se generen pérdidas por movimientos del eje de madera distintos de la rotación al rededor de su propio eje.

(9): A esta pieza se le fijará la correa que se conectará al eje del dínamo. Ésta tiene un diámetro mayor al del eje para proporcionar una mayor velocidad angular al eje del dínamo. Será hecha de madera por las mismas razones que las demás piezas. Será fijada al eje para que pueda rotar con éste y tendrá una hendidura en la superficie exterior, cuyo ancho dependerá del ancho de la correa utilizada en el testeo final.

(12): Éste es un rodamiento de empuje. Se decide poner este otro tipo de rodamiento en el extremo posterior del eje, ya que puede resistir tensiones axiales, a diferencia de los rodamientos convencionales. Esté será unido al eje y a la torre, lo que permitirá que el eje no se salga de su lugar, considerando que es ensamblable. Este rodamiento también será adquirido en el comercio y se construye de acero.

(14): Éste es el tornillo que permitirá «sellar» el eje, de modo que el aparato no se separe por sí solo. Este tornillo es común y corriente y también será adquirido en el comercio.

Podemos aproximar algunas cantidades que serán obtenidas en el proceso de prueba al final del proceso de construcción. Podemos estimar que la velocidad angular promedio equivaldrá a 60 rpm, aproximadamente, y que por lo mismo, la potencia generada será de 2*Pi*T, con T el torque otorgado por el generador de electricidad, el dínamo.

Vídeo explicativo del proceso

A continuación se copia un link en que se explica el diseño además de algunos conceptos generales: