El documento presenta un proyecto de diseño de un sistema eólico para generar energía. El proyecto implica seleccionar materiales y geometrías adecuadas para los componentes clave del sistema, considerando también el impacto ambiental y la seguridad. Los estudiantes deberán diseñar, construir y probar un sistema eólico innovador usando materiales de descarte, maximizando el rendimiento con el menor peso posible.
2. INTRODUCCIÓN
Una de los componentes de evaluación del curso
es el diseño de un “sistema complejo”, que inclu-
ye elementos del Diseño Mecánico.
El proyecto implica para cada componente clave,
la selección concurrente de: a) materiales aptos,
y b) geometrías posibles.
A esto podremos agregar una previsión por efec-
to del medio ambiente (simple en nuestro caso) y
otra por procedimientos que acercan el sistema a
la frontera de operación segura. La seguridad de
las personas y equipos es parte del proyecto.
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3. INTRODUCCIÓN
Definir diseño y diseño mecánico, conocer las
exigencias y limitaciones.
Conocer los fundamentos del diseño mecánico
aplicados a elementos de máquinas.
Comprender el comportamiento mecánico de
los materiales estructurales en sus ambientes.
Conocer los criterios de falla que inciden en el
diseño mecánico
mecánico.
Trabajar en equipo en el desarrollo de un
proyecto aplicado de diseño mecánico.
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4. INTRODUCCIÓN
Recordemos los bloques de evaluación principal
del curso Diseño Mecánico I:
Tres (3) interrogaciones individuales:
20%, cada una. Nota bajo 4.0 ≡ repite área.
Un (1) proyecto de diseño mecánico:
25%, según guía (varias entregas).
Nota mínima: 4.0 (varios hitos).
Contribución a la clase.
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5. INTRODUCCIÓN
Proyecto de Diseño Mecánico asociado a un
Sistema Eólico:
Diseño innovador y creativo de un sistema
de generación de energía eólica adosado a
una barra con uniones apernadas.
Uso de materiales de descarte (conciencia
ambiental). Se ha solicitado algo de dinero
para ciertos dispositivos.
Desempeño relativo acorde a mejor ajuste
entre teoría y cálculo. Máximo rendimiento
con menor peso.
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6. INTRODUCCIÓN
Sitio
Proyecto de Diseño Mecánico:
(soporte)
En rojo: fijo, base de diseño
En gris: variable, vuestro diseño C B
Distancia mínima
Fase 1) Proceso de Diseño.
Fase 2) Construcción.
Fase 3a) Desempeño en A. dinamómetro
Recurso Ajuste al diseño. Luz
(ventilador) Materiales, peso, $, etc. A
Fase 3b) Predicción de falla en B.
Deflexión (aspas y barra).
Inestabilidad en C, etc. Ejemplo
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7. ENERGÍA EÓLICA
Energía eólica, principal éxito renovable
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13. ENERGÍA EÓLICA
En energía primaria, la energía eólica tiene una
presencia inferior a 1%, aumentando.
ERNC-T Biocomb (0.3%)
Electricidad (0.8%)
Agua Caliente (1.3%)
Nuclear Macro-hidroelect. (3%)
Fosil Renovable
Biomasa trad. (13%)
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14. ENERGÍA EÓLICA
A nivel global, la potencia eléctrica instalada es
~ 4200 GW, dominada por fuentes fósiles:
Tipo Capacidad Energía Uso
Fósil ~ 2800 GW ~ 13500 TWh 55%
Hidro ~ 780 GW ~ 2900 TWh 43%
Nuclear ~ 375 GW ~ 2700 TWh 82%
ERNC ~ 290 GW ~ 1000 TWh 39%
Eólico ~ 140 GW
Minihidro ~ 90 GW
Biomasa ~ 48 GW
Geotermia ~ 10 GW
Solar FV ~ 6 GW
Otros ~ 2 GW
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15. ENERGÍA EÓLICA
Proyección de la capacidad instalada
En Chile:
2- MW (3); Alto Baguales.
18 MW (11); Canela I.
69 MW (46); Canela II.
46 MW (23); Norvind.
300+ MW en varios proyectos.
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:WorldWindPower2008.png
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20. ENERGÍA EÓLICA
Variabilidad diaria: más a mediodía en superficie
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21. ENERGÍA EÓLICA
Uso de distribuciones para modelar y comparar
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22. ENERGÍA EÓLICA
Diagrama polar de frecuencia eólica
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23. ENERGÍA EÓLICA
Perfil de viento del Proyecto ICM2312
33%
0°
Diagrama Polar Velocidad del Viento (m/s)
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24. SISTEMAS EÓLICOS
Principales Sistemas Eólicos
Sistemas Horizontales (HAWT)
Doble aspa
Aspa única Triple aspa
Multiaspa
Barlovento Sotavento Contrarotatorio
Savonius Paletas
Einfield-Andreau Multirotor Magnus cruzado cruzado Difusor Concentrador
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25. SISTEMAS EÓLICOS
Principales Sistemas Eólicos
Sistemas Verticales (VAWT)
Savonius Savonius
Aspa S Paleta cubierta Vasos curvo
dividido
Darrieus
H-VAWT V-VAWT Banki Darrieus
Savonius
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26. SISTEMAS EÓLICOS
Ejemplos de sistemas eólicos tradicionales
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27. SISTEMAS EÓLICOS
También susceptibles al clima
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28. SISTEMAS EÓLICOS
Dimensiones típicas de un sistema
5 MW
400 ton
300 ton 120 m
1300 m3 concreto
120 tons de acero
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29. SISTEMAS EÓLICOS
Dimensiones Enercon E126 (6 MW)
Góndola de mínimo arrastre
Sin caja, V variable, pitch activo.
Torre concreto. Aspas: GFRE.
Tip speed: 48 - 78 m/s (8 - 13 rpm)
Cut-in:2.5 m/s Cut-out: 28 - 34 m/s. 114 m f, H = 126 m,
Frenos: pitch más eje. Área: 10,207 m2 http://www.thewindpower.net
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30. SISTEMAS EÓLICOS
Costa Afuera: más lejos y mejor viento
Middegrunden, Dinamarca, 20 x 2 MW
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31. SISTEMAS EÓLICOS
Mar Afuera: otras posibilidades (ruido)
Sistema Flotante Norsk "Hywind” H2
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32. SISTEMAS EÓLICOS
Conceptos de turbinas eólicas flotantes
Turbine Concepts
Estabilizado Estabilizado Estabilizado
por Lastre por Anclaje por Boyantez
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33. SISTEMAS EÓLICOS
Sistemas terrestres versus marinos.
Los terrestres (onshore) son más económicos, el
viento es menor y poco predecible. Su diseño se
ha estandarizado en HAWT de tres palas subsóni-
cas. Son crecientemente rechazados.
Los marinos (offshore) son más caros, el viento
es mayor y predecible. Su diseño no se ha estan-
darizado pero podría seguir la línea HAWT de tres
palas subsónicas (no es claro). Es la tecnología
preferida (plataforma oceánica o flotante) del mo-
mento para no saturar y molestar a la gente.
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34. SISTEMAS EÓLICOS
Ejemplos de sistemas eólicos no tradicionales
sistemas multirotores
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35. SISTEMAS EÓLICOS
Ejemplos de sistemas eólicos avanzados
¿Patagonia sin Eólica?
sistemas multirotores
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36. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Aspectos de diseño de un sistema real
Radiador
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37. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Aspectos de diseño: potencia disponible
1 dm 2
P= V
r, V 2 dt
dm
= r·A·V3
dt
La potencia disponible en 1
A depende de la velocidad P = r·A·V3
al cubo de corriente libre. 2
Es proporcional a la densi- P 1
dad del flujo de aire (1.225 = r·V3
kg/m3 a n.m. y 15°C). A 2
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38. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Aspectos de diseño: potencia disponible
Velocidad
P/A W/m2 Si se conoce la velocidad promedio
m/s
en una región, podemos crear ma-
0 0
pas para la densidad de potencia.
5 80
10 610 Se obtiene una mayor precisión si
15 2,070
se conocen los promedios horarios
20 4,900
para un año típico.
25 9,560 Vm es la velocidad promedio anual
30 16,550 y k es el factor de utilización anual.
Pm 1 Pm/A < 100 W/m2 (pobre)
= r·V3·k Pm/A ~ 400 W/m2 (bueno)
A 2 Pm/A > 700 W/m2 (muy bueno)
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39. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Aspectos de diseño: curva de la turbina
Potencia / Área de Palas Potencia (MW)
600 3.0
Potencia / Área (viento) = ½ r·v3
500 2.5
Corte
Potencia Eléctrica
400 2.0
Ej. V80 (Vestas) f = ½ Hz
300 D = 80 m 1.5
VT = 450 km/h
200 1.0
P 16
= ½ CD· r· v3· hH· hM· hE CD =
100 A 27
Betz 0.5
0 0
0 5 10 15 20 25 30 35
Velocidad del Viento (m/s)
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40. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Aspectos de diseño: curva del recurso
f(v/v)
0.8
Distribución Rayleigh p v 2
0.7 v p v 4 v dv
f dv = e
0.6 v 2 v2 v
0.5
0.4
Distribución del viento
0.3
0.2
0.1
0
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Velocidad del Viento / velocidad Media v/v
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41. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Aspectos de diseño: convolución de curvas
Potencia / Área de Palas Potencia (MW) f(v/v)
600 3.0 0.8
Potencia / Área (viento)
500 2.5 0.7
Potencia Eléctrica 0.6
400 2.0 Distribución del viento
V80 0.5
300 1.5 0.4
200 1.0 0.3
X(v) 0.2 f(v)dv
100 0.5 0.1
0 0 0
0 5 10 15 20 25 30 35 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Velocidad del Viento (m/s) Velocidad del Viento / velocidad Media v/v
∞ 15 25
Potencia
Area ∫ ∫ ∫W
= X(v) f(v)dv = 0.118v3f(v)dv + 400 f(v)dv = 72 + 137 = 209 2
0 4 15
m
209
Factor de capacidad = = 52% (máx) ≈ 30-40% (típico)
400
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42. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Ventajas y Desventajas
Ventajas:
Tamaño modular.
Sin costo de combustible ni GEI.
Tecnología de escala productiva.
Aceptación inicial (verdes).
Susceptible de beneficios.
Desventajas:
Alto costo y confiabilidad incierta.
Recurso intermitente y lejano.
Requiere almacenamiento.
Cierta oposición pública.
Aspecto, ruido, pájaros, peces.
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43. DESEMPEÑO DEL PROYECTO
Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico):
Elementos de Evaluación (subjetivos):
a) Proceso de diseño: básico a detallado (70% tiempo).
b) Selección consciente de materiales acorde a desempeño.
c) Contribución de materiales de descarte en el total (balance).
d) Desempeño vs Predicción de Diseño, i.e. criterios de falla, etc.
e) Atributos de estilo, superficie, elegancia, belleza (Edsel).
f) Diseño técnico, i.e. selección de conceptos eólicos.
g) Selección de los mecanismos de rodadura en A.
h) Ajuste a presupuesto (restricción gerencial) y “mercado”.
i) Costo estimado, emisiones ahorradas, etc.
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44. DESEMPEÑO DEL PROYECTO
Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico):
Elementos de Evaluación (objetivos):
1) Potencia máxima (torque y velocidad) en punto A (4 intentos).
2) Peso mínimo de las piezas de unión y materiales.
3) Relación potencia a peso (i.e. 1 mW con 1 g > 1 W con 5 kg)
4) Cuidado a Interferencias (deflexión) entre aspas y barras.
5) Diseño de flecha, descansos, vigas, soldaduras, pernos.
6) Ruptura de uniones al soporte según criterios de falla.
7) Flexión y ángulo de la barra o columna en operación.
8) Ajuste entre desempeño y predicción de diseño, etc.
9) Tiempo de armado (360 segundos).
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45. DESEMPEÑO DEL PROYECTO
Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico):
Las entregas se realizarán a través de un blog-
spot de cada grupo, en las fechas indicadas en
el programa de curso, salvo que el profesor o
ayudante las modifiquen por razón justificada.
Próxima entrega: Lunes 19 de abril
Informe Final: documento integral del diseño,
historial y resumen de información con cálculos
de los elementos mecánicos, atributos de mer-
cado y otros datos “reservados” del proyecto.
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46. RESUMEN
Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico):
Entregas: Extensión:
a) Misión del Producto (Planeación, ~3ª semana). a) 01 página.
b) Especificaciones Meta (Concepto, ~ 6ª semana). b) 03 páginas.
c) Selección de Concepto (Concepto, ~8ª semana) c) 10 páginas.
d) Descripción del Concepto (Concepto, ~9ª semana). d) 02 páginas.
e) Diseño de los Sistemas (Sistemas, ~11ª semana) e) 04 páginas.
f) Diseño documentado (Detalle, ~12ª semana) f) 12 páginas.
g) Construcción del prototipo (Detalle, ~13ª semana). g) ficha
h) Test de Desempeño (Pruebas/Ajustes, ~14ª semana). h) ficha
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47. RESUMEN
Proyecto de Diseño Mecánico (Sistema Eólico):
Las entregas se realizarán a través de un blog-
spot de cada grupo, en las fechas indicadas en
el programa de curso, salvo que el profesor o
ayudante las modifiquen por razones acordes.
Este debe incluir un video integral aunque breve
de su concepción, desarrollo y funcionamiento.
Informe Final: documento integral del diseño del
sistema eólico, historial y un resumenes. Cálcu-
los de elementos mecánicos, atributos de merca-
do y otros datos “reservados” del proyecto.
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48. RESUMEN
Revisamos algunos aspectos generales del desa-
rrollo de la tecnología eólica real con el objeto de
apoyar el proyecto del curso ICM 2312.
Se presentaron los tipos de recursos y las tecno-
logías eólicas dominantes. En función de lo visto
ahora y de las posibilidades “de mercado”, cada
grupo contrastará diversos conceptos antes de
llegar al diseño de detalle de su sistema.
El seguimiento del blog será permanente. Podrá
haber revisión de detalle al azar (con nota). Se
recomienda responsabilidad y puntualidad.
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