aerogeneradores electricos utilizados para aprovechar la energia eolica y convertirla en energia electrica

1. PROYECTO 001
“SUSTITUCIÓN DE LA ENERGIA ELECTRICA
MEDIANTE UNA TURBINA DE VIENTO QUE
PRODUZCA FUERZA MECANICA PARA LOS
EQUIPOS DE LOS TANQUES DE LOS
RESERVORIOS DE LOS LABORATORIOS DE
ECOCULTIVOS LARVARIOS, C.A.”

2. 1ERA FASE:
Diagnostico:
De acuerdo a las necesidades del cliente de conseguir una nueva alternativa de energía
distinta a la energía eléctrica que le provea ahorros en la instalación y mantenimiento de la
misma y en su necesidad de utilizarla para la alimentación continua de los tanques
principales de los laboratorios de Ecocultivos Larvarios, C.A. se ha desarrollado esta
investigación sobre el aprovechamiento de los vientos predominantes en la zona, y puesto
que el ingrediente esencial en un sistema de conversión de la energía del viento es la
turbina de viento o tradicionalmente conocida como molino de viento, se ha pensado en
desarrollar un AEROGENERADOR o molino de alta velocidad donde se ubica la planta
para producir la fuerza necesaria para el funcionamiento de los equipos de bombeo de
Ecocultivos Larvarios, C.A.
La necesidad primordial del cliente es poder producir los suficientes HP de potencia para el
funcionamiento de una bomba o de un tornillo de Arquímedes el cual será el equipo de
dosificación principal de los tanques de cría de camarón de los laboratorios.
Recopilación de Información:
Para la recopilación de la información se ha recurrido a consultas con una empresa en la
zona donde trabajen con energía eólica, como lo es Industrias Marullo S.A., empresa
especializada en la construcción y montaje de molinos de viento, para la dosificación de
agua desde pozos profundos para Fincas, Fundos, Haciendas, etc.
Se ha contado con material bibliográfico como lo es:
• El Manual del Ingeniero Mecánico de Eugene A. Avallone y Theodore Baumeister
III, Mc Graw Hill 9na edición, Tomo 2.
• Diseño en Ingeniería Mecánica de Joseph Edward Shigley y Charles R. Mischke,
Mc Graw Hill 5ta Edición.
• Diseño de Maquinaria, Robert L. Norton, Mc Graw Hill 2 da Edición.
• Bastianon R.A. Energía del viento y diseño de turbinas Eólicas
De la misma manera material Bibliográfico para la investigación bajado de la Internet como
lo es:
• El manual de Windpower.dk, a través de la pagina web www.windpower.dk ,
Generadores de deslizamiento variable para turbinas eólicas.
• Uces “Universidad de Ciencias Empresariales” www.uces.edu.ar “Diseño de
turbinas Eólicas, turbinas de eje Horizontal tamaño de la Hélice.
• Turbinas Eólicas www.solisto.com
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3. • www.ecoportal.net, Diseño de turbinas eólicas.
• Aerogeneradores, www.sistema.itesm.mx, limitación de potencia, torre y
fundamentos, diseño de turbinas Eólicas según BETZ Y Schmitz.
• El viento, www.cubasolar.cu
• montemayor@motemayor.product.com, Fiasa.
2 DA FASE:
Levantamiento de Información
Factores que influyen y que se deben tomar en cuenta para el desarrollo del proyecto:
1. Velocidad del viento; se debe asegurar un flujo de velocidad promedio del viento tal
que pueda mantener la potencia requerida, deben realizarse mediciones de los
mismos a diferentes horarios y así saber las condiciones promedios a lo cual será
puesta la turbina o el generador de Potencia Eólico, para esto se debe tener un
seguimiento exacto de las velocidades registradas en la zona.
2. Condiciones generales de la zona; la zona es altamente corrosiva con lo cual hace
que los materiales para la fabricación de la turbina y los elementos de la misma
deban ser de materiales no ferrosos por el alto grado de salinidad además de que
deben ofrecer un fácil mantenimiento. Se toman como opciones los polímeros, fibra
de vidrio, aluminio y el acero inoxidable ( para las piezas mecánicas de la
transmisión )
3. Diseño a utilizar; para la fabricación de las aspas o hélices de la turbina se debe
buscar adaptar un diseño que permita el mayor rendimiento y la mayor velocidad de
las mismas para así producir la mayor potencia, para esto se deben considerar los
distintos modelos de turbinas eólicas para ver cual es el que mejor se adapta a
nuestras necesidades
4. Debemos saber que capacidad de potencia se necesita producir; para esto debemos
saber con exactitud el caudal de agua deseado y que tipo de equipos o bombas se
utilizarán en el proceso.
5. Definición del tipo de transmisión; debemos definir de acuerdo al mayor
rendimiento, menor costo y facilidad de mantenimiento que tipo de transmisión de
potencia utilizaremos, si va a ser a través de un tren de engranajes o por medio de
transmisión de correas, a la salida de la turbina.
Problemas de diseño mas comunes que se pueden presentar:
• Sobrevivencia a las tormentas severas, lo que puede llevar a daños severos en los
componentes de la turbina.
• Sobrevelocidad severa y falla en el sistema causado por la misma.
• Elevado nivel de vibración y de esfuerzos alternantes.
• Consideraciones de fatiga en la raíz de las paletas o hélices.
• Posibles oscilaciones resonantes, si coinciden las frecuencias excitadoras y las de
estructura. La frecuencia excitadora dominante tiende a ser la frecuencia de paso de
3

4. las paletas, que es igual al número de paletas multiplicado por las revoluciones por
segundo. Una frecuencia estructural importante en las turbinas de eje horizontal es
la frecuencia de sacudimiento de la torre. Un enfoque de diseño es hacer la torre tan
rígida que la frecuencia excitadora esté siempre por debajo de la frecuencia natural
más baja de dicha torre.
• Otro en foque que se puede tomar en cuenta para evitar problemas de diseño es
permitir que la torre sea más suave, pero manejar la velocidad de la turbina en tal
forma que la frecuencia excitadora nunca esté en una frecuencia estructural durante
un tiempo significativo
Consideraciones a tomar en cuenta en el diseño de una turbina Eólica o
Aerogenerador de potencia:
Brisas Marinas:
Se deben tomar en cuenta la dirección de los vientos dominantes, durante la noche los
vientos soplan en sentido contrario a el día y la brisa tiene velocidades inferiores puesto que
la diferencia de temperatura entre la tierra y el mar es menor.
La Energía del viento:
Densidad del aire y área de barrido del rotor.
Un Aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la fuerza del viento en un
par ( Fuerza de giro ) actuando sobre las palas del rotor. La cantidad de energía transferida
al rotor por el viento depende de la densidad del aire, del área de barrido del rotor y de la
velocidad del viento.
Ejemplo:
Una porción cilíndrica de aire de 1 m de espesor pasa a través del rotor de un
Aerogenerador típico de 1.000 Kw con un rotor de 54 m de diámetro cada cilindro pesa
realmente 2.8 ton, es decir, 2.300 veces 1.225 Kg.
Densidad del aire:
La Energía cinética de un cuerpo depende de la densidad del aire, es decir, su masa por
unidad de volumen.
ρ = m/v (Kg/ m³ )
Por lo que se concluye que cuanto mas pesado sea el aire más energía recibirá la Turbina.
A presión atmosférica normal y a 15 ºC el aire pesa 1.225 Kg/m³, aunque la densidad
disminuye ligeramente con la humedad.
Área de barrido del rotor:
Tomaremos el Ejemplo del Aerogenerador de 1.000 Kw. :
Diámetro de 54 m, el área A = ?
4

5. A = Π R² = ( 3.14 ) x ( 54 )² / 2² = 9.160 m² / 4 = 2.290 m² ≅ 2.300 m²
Esto nos hace concluir que lo que determina cuanta energía del viento es capaz de capturar
una turbina eólica es el Área del rotor. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado
del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá cuatro veces más
energía.
La potencia del viento:
La cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo de la velocidad media del
viento, por ejemplo si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que
contenga será ocho veces mayor.
Esta velocidad varía a la tercera potencia por la ley de Newton de la cinemática.
Por Ejemplo:
Al doblar la velocidad de un coche la energía de frenado para pararlo completamente será
cuatro veces mayor.
En el caso de las turbinas eólicas usamos la energía de frenado del viento, por lo que si
doblamos la velocidad del viento tendremos dos veces más porciones cilíndricas de viento
moviéndose a través del rotor a cada segundo y cada una de esas porciones contiene cuatro
veces más energía como en el frenado de un coche.
Cálculo de la potencia del viento que pasa perpendicularmente a través de un área circular:
P = ½ ρ V ³ π r ² ( Ecuación Nº 1 )
Donde:
P: Potencia en W ( VATIOS )
ρ: Densidad del aire seco 1,225 Kg. ( al nivel del mar y a 15 º C )
V: Velocidad del viento ( m/s )
π: 3,14
r: Radio del rotor ( m )
Se debe realizar una medición de la velocidad del viento, donde se debe tener en cuenta la
utilización de un anemómetro de cazoletas, de ultrasonidos o láser.
Teoría general de la cantidad de movimiento ( momentum ) para las turbinas de eje
horizontal:
El análisis convencional de las turbinas de eje horizontal se inicia con un balance de la
cantidad de movimiento axial, originado por Rankine, en el que se aplica un volumen de
control tal que representa el volumen de aire que pasa a través de la turbina, la turbina se
presenta por medio de un disco poroso de área A, el cual extrae energía del aire que pasa a
través de él, al reducir su presión: en el lado corriente arriba, se ha elevado la presión por
arriba de la atmosférica al desacelerar la corriente de aire; en el lado corriente abajo, la
presión es más baja y se recuperará la presión atmosférica por una desaceleración adicional
de la corriente. V es la velocidad original del viento, el que se desacelera hasta V( 1- a ) en
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6. el disco de la turbina, y hasta V ( 1- 2 a ) en la estela de la propia turbina ( a se conoce
como el factor de interferencia ).
El análisis de la cantidad de movimiento predice que el empuje sobre la turbina de radio R
es:
T = 2 π R² ρ V² a ( 1 – a )
Donde la densidad del aire es 1,227 Kg / m³, a las condiciones estándar a nivel del mar.
Si se aplica la ecuación de la energía mecánica al volumen de control representado para la
ecuación de cantidad de movimiento, se puede predecir la potencia entregada a la turbina
como:
P = 2 π R² ρ V³ a ( 1 – a )²
Pueden eliminarse las dimensiones de esta potencia, con el flujo de energía E en el viento
corriente arriba que cubre un área igual a la del disco del rotor, es decir,
E = ½ ρ V ³ π r ² ( Ecuación Nº 1 )
Donde El coeficiente resultante de potencia es:
Cp = P / E = 4 a ( 1 – a )²
Este coeficiente de potencia tiene un máximo teórico, de Cp = 0,593, en a = 1/3.
Este resultado fue obtenido por Betz y hace ver que debe optimizarse la carga colocada
sobre un molino de viento, para obtener la mejor salida de potencia:
Si la carga es demasiado pequeña ( a pequeño ), la estela se lleva gran parte de la potencia;
Si la carga es demasiado grande ( a grande ), el flujo es obstruido en exceso y la mayor
parte del viento que llega pasa alrededor de la turbina.
Estén además unos limitantes que se deben tomar en cuenta en este análisis, que limitan su
exactitud y aplicabilidad, como lo es despreciar la energía cinética en la componente de
remolino de la estela.
En el análisis de Gauert se ha incluido en forma parcial la consideración de la rotación de la
estela, con la predicción resultante del coeficiente ideal de potencia como función de la
relación de velocidades en las puntas de la turbina X = Ω R / V ( en donde Ω es la
velocidad angular de la turbina ), lo cual nos ofrece las curvas de rendimiento para las
turbinas de viento, de acuerdo a las curvas realizadas tenemos que es evidente que el
remolino está formado por energía desperdiciada y es máximo cuando se tiene una turbina
de momento de torsión ( Torque ) alto y baja velocidad. Las turbinas agrícolas reales de
varias paletas y de dos o tres paletas presentan un rendimiento algo inferior al ideal, en
virtud de los efectos de la resistencia al movimiento del aire que se desprecian en el análisis
ideal de flujo, pero las turbinas de dos o tres paletas, de alta velocidad, tienden a dar una
eficiencia más alta que los molinos de viento de palas múltiples y baja velocidad.
Con lo que se amolda más convenientemente a nuestras necesidades una turbina con un
diseño de dos o tres paletas de alta velocidad.
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7. Método a seguir para la medición de la velocidad del viento:
Se debe colocar el anemómetro en el extremo superior de un mástil a la altura a la que se
desea el aerogenerador.
Se debe evitar el abrigo del viento de la torre ( evitar los cambios atmosféricos en la
toposfera )
Se deben hacer los registros de los datos en una computadora electrónica o tomar notas
precisas de estos de manera de mantener los registros al día.
De acuerdo a los datos suministrados en la zona estos están dados en nudos, donde:
1nudo = 0,5144 m/s.
Factores que influyen y que hay que tomar en cuenta en la generación de potencia de
un Aerogenerador:
Orografía del área: ( Rugosidad y Cizallamiento )
La influencia de los obstáculos y la influencia del contorno del terreno o del tipo de terreno
se le llama orografía del área.
Se tratará la orografía para investigar que tipo de efectos aceleradores influyen para la
realización de nuestro proyecto, a saber, el efecto túnel y el efecto de la colina son los que
serán tomados en cuenta.
Rugosidad:
Cuanto más pronunciada sea la rugosidad del terreno mayor será la “Ralentización” que
experimente el viento.
Los obstáculos ralentizan mucho viento como los bosques y las grandes ciudades, mientras
que las pistas de Hormigón de los aeropuertos solo la ralentizan ligeramente.
Para nuestro caso particular en la zona donde se colocaría el Aerogenerador tendríamos una
clase de rugosidad “0”, que sería la catalogada para la superficie del mar, pero tomando en
cuenta la superficie del terreno fuera del agua tendríamos un “0.5”
Longitud de rugosidad:
Es la distancia sobre el nivel del suelo a la que teóricamente la velocidad del viento debería
ser nula.
A medida que el viento se acerca más a nivel del suelo, éste disminuye su velocidad, a esto
se le llama cizallamiento del viento.
Ejemplo:
Consideremos un Aerogenerador a una altura de 40 m su buje, con un diámetro de rotor de
40 m, el viento sopla a 9,3 m/s en su posición más alta de la pala y a 7,7 m/s cuando dicho
extremo se encuentre en su posición inferior. Esto indica que las fuerzas que actúan serán
más grandes en la posición más alta de la pala.
Fórmula del perfil vertical del viento:
La velocidad del viento a una cierta altura sobre el nivel del suelo es:
V = Vrø ln ( Z / Z0 ) / ln ( Zrø / Z0 ) ( Ecuación Nº 2 )
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8. Donde:
V: Velocidad del viento a una altura Z sobre el nivel del suelo
Vrø: Velocidad de referencia, es decir, velocidad del viento ya conocida a una altura ( Zrø )
Ln: función logaritmo natural
Z: Altura al nivel del suelo para la velocidad deseada V.
Z0: Longitud de rugosidad en la dirección del viento actual.
Zrø: Altura de referencia, altura a la que conocemos la velocidad del viento exacta, ( Vrø )
Entonces del ejemplo anterior tenemos:
Vrø: 7,7 m/s, Zrø: 20 m , para conocer la velocidad en la parte más alta de la pala. V: ? y la
longitud de rugosidad es Z0: 0,1 m, Z: 60 m.
V = ( 7,7 m/s ) ln ( 60 / 0,1 ) / ln ( 20 / 0,1 ) = 7,7 m/s x 1,207 = 9,30 m/s
V = 9,30 m/s
Esto es tomando en cuenta condiciones atmosféricas neutras. ( Ver manual de “Ing.
Guidelines for Design of Wind Turbines” del laboratorio Nacional de Risoe y DNV.
Para realizar un cálculo de la velocidad del viento se deben tener las mediciones del viento
en la zona, aunque por experiencias anteriores de investigación se ha podido verificar que si
para100 m se tiene una velocidad de 10 m/s, y a 50 m una velocidad de 9 m/s, se observa
una disminución de un 10%, sin embargo la potencia del viento disminuye hasta ( 0,9 )³ =
0,73 m/s , es decir, de 613 a 447 Kw un 27%, a un cubo de su velocidad.
La rosa de las Rugosidades:
Se deben realizar las mediciones del viento por un largo período de tiempo y a la altura
exacta de donde se debe colocar el buje y en el lugar exacto del Aerogenerador.
Nos debemos preocupar principalmente por las rugosidades en las direcciones
predominantes del viento.
NE SO NE SE NO SE
90º – 60 º N 60º – 30 º N 30º - 0º N 0º - 30º S 30º - 60º S 60º- 90º S
Para dicho estudio se deben consultar Enlaces para encontrar el enlace con el modelo de
Risoe Wasp y con el programa de entorno window “ Windpro” de EMD* .(* Estado de los
métodos gráficos de evaluación eólica EMD, “ Danish Energy Agency” empresa consultora
especializada en el desarrollo del software sobre Energía eólica, en colaboración con el
departamento Eólico Risoe National Laboratory, que desarrolló el programa básico de
dinámica de fluidos utilizados en los cálculos eólicos, el programa Wasp. )
El viento por tener la particularidad de no ser continuo presenta variaciones estacionales de
viento, y la velocidad del mismo es mayor en el día que en la noche.
Turbulencia:
Se deben evitar las zonas que produzcan turbulencias puesto que esto dañaría por fatiga los
Aerogeneradores.
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9. Se debe realizar un cálculo del abrigo si existen obstáculos que afecten a los
Aerogeneradores, aproximadamente a unos 20 Km más allá del obstáculo puede medirse el
resguardo. Se deben considerar los objetos que esten a menos de 1000 m del Aerogenerador
en las direcciones del viento dominante, el resto será considerado como cambios en la
rugosidad del terreno.
Energía producida:
Se debe realizar un estudio de las variaciones del viento en sus distintas velocidades para el
desarrollo de la industria eólica, de manera de optimizar el diseño de los mismos, así como
para minimizar los costos de generación.
Velocidad de conexión:
Los Aerogeneradores están diseñados para funcionar a velocidades de 3-5 m/s esta es la
llamada velocidad de conexión.
Velocidad de corte:
Es la velocidad programada para que pare el Aerogenerador y así evitar posibles daños en
las turbinas o a sus alrededores.
Potencia Mecánica:
Según la ley de BETZ la potencia mecánica producida por el Aerogenerador será 16/27
veces la potencia total del viento.
La curva de Potencia:
De acuerdo a la energía producida por los Aerogeneradores se puede concluir que a medida
que variamos el diámetro del rotor variamos cuatro veces las potencias generadas según las
dimensiones de los Aerogeneradores.
54 m 1000 kw
27 m 250 kw
13.5 m 62.5 kw
6.75 m 15.63 kw
3.375 m 3.90 kw
donde por transformación de unidades 1 HP = 0,7457 kw
Construcción y diseño de turbinas:
Para la construcción en el diseño de turbinas eólicas debemos tomar en cuenta la
resistencia, comportamiento dinámico, propiedades de fatiga de los materiales y del
conjunto.
Las turbinas o rotores con muchas paletas o palas muy anchas están sometidos a fuerzas
muy grandes, cuando el viento sople a una velocidad de huracán.
Se debe garantizar que una vez cada 50 años puedan soportar vientos extremos de unos 10
min de duración
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10. Se debe limitar la influencia de los vientos donde las palas utilizadas son pocas, largas y
estrechas, para compensar la estreches de las palas de cara al viento los fabricantes deben
dejar que las turbinas giren relativamente rápidas.
Las configuraciones predominantes son las turbinas de hélice con eje horizontal y las
turbinas de Darrieus y de batidora de ciclogiro. En el análisis de rendimiento de las turbinas
de viento se han establecido los parámetros para la evaluación de todas las turbinas, de
estos análisis se puede observar que las turbinas de dos o tres paletas de alta velocidad nos
ofrecen un mayor rendimiento.
Dinámica estructural para la fabricación de las turbinas:
Direccionamiento del rotor:
• Rotor a barlovento, se necesita un mecanismo de orientación al viento.
• Rotor a sotavento, no necesita un mecanismo de orientación al viento puesto que las
palas están ligeramente curvadas hacia delante como en forma de cono, de manera
que la góndola seguirá al viento pasivamente. No es muy recomendada puesto que
puede crear más cargas de fatiga en las turbinas, que con un diseño corriente arriba.
Componentes que debemos tomar en cuenta en nuestra turbina de viento:
Puesto que nuestra turbina o Aerogenerador no producirá energía eléctrica, si no que
utilizaremos la misma energía mecánica producida por el viento para mover nuestros
sistemas, no se tomarán en cuenta los dispositivos y mecanismos que transforman la
energía mecánica en eléctrica, como son el eje de baja velocidad, el multiplicador, el eje de
alta velocidad, el generador eléctrico, el controlador electrónico, el sistema hidráulico, la
unidad de refrigeración, etc.
Los componentes que debemos así utilizar serían:
• las palas con un diseño aerodinámico parecido al de un avión, son los el
mecanismos que conforman el rotor y cuyo movimiento permiten la transformación
de la energía del viento en energía mecánica.
• la góndola la cual contendrá el eje principal y el mecanismo de transmisión que
transforme el torque producido por las hélices o paletas que me suministre la
potencia necesaria y la velocidad para mover un equipo o sistema.
• La torre, la cual soportará a la turbina de viento a la altura más ideal de
aprovechamiento del viento.
• Anemómetro y la veleta que permitirán medir la velocidad y la dirección del
viento.
Diseño de las paletas:
El diseño de las paletas o hélices viene dado por un diseño aerodinámico el cual debe
facilitar la menor resistencia al viento y lograr un mayor aprovechamiento del aire
suministrado.
Características de los Perfiles aerodinámicos:
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11. Las características de los perfiles aerodinámicos se expresan en términos de los
coeficientes adimensionales CL, CD y CM y del ángulo de ataque α. NACA presenta los
resultados para alas cuya relación de dimensiones sea 6 y también los resultados corregidos
para una relación de dimensiones ∞.
Estos coeficientes absolutos son los datos de las fuerzas y momentos aerodinámicos.
Los coeficientes de fuerza son:
Sustentación CL = L/ qS,
Resistencia al avance CD = D/ qS
Coeficiente de Momento CM = M / q Sc
Donde S es el área del ala, c la cuerda del ala, q presión de estancamiento o presión
dinámica, generalmente se expresan todas las fuerzas aerodinámicas en términos de ½ ρ
V², por lo cual :
F = ½ φ ρ V² l² = q φ l²
El coeficiente CL es una función lineal del ángulo de ataque que puede llegar hasta un
ángulo crítico llamado ángulo de desplome . El coeficiente de sustentación máximo
CLMAX que se puede alcanzar es una de las características importantes de un ala, puesto que
determina la velocidad de aterrizaje de un avión si fuese el caso.
La resistencia al avance de un ala se forma de dos componentes: la resistencia del perfil
D0 y la resistencia inducida Di.
La resistencia del perfil se debe, en forma principal a la fricción de la superficie. En una
relación de dimensiones ∞ o en una sustentación cero, la resistencia inducida es cero y, así,
toda la resistencia al avance es resistencia del perfil. La diferencia CD – Cdi = Cdo, el
coeficiente de la resistencia del perfil. Entre las características deseables de un perfil se
encuentra un valor pequeño del coeficiente mínimo de resistencia al avance-perfil y un
valor grande de CL / CD.
Las características del momento de un ala se pueden obtener a partir de la curva del centro
de presión como función de α o por el coeficiente de momento tomado en torno al centro
aerodinámico. CMa.c. como función de CL. Un movimiento hacia delante del centro de
presión a medida que se hace crecer α corresponde a una sección inestable de ala. Esta
inestabilidad es indeseable porque requiere una carga descendente grande sobre la cola para
contrarrestarla.
Las características de una sección de ala están determinadas principalmente por la línea de
comba media, es decir, la curvatura de la línea mediana del perfil y, en segundo lugar, por
la distribución del espesor a lo largo de la cuerda.
Figura:
Espesor máximo
( 0.12 c )
Cuerda geométrica
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Curvatura máxima = 0.02
Línea de curvatura
media
Cuerda = c

12. En el sistema de designación NACA, cuando se utiliza un número de cuatro dígitos, por
ejemplo 2412, la significancia siempre es el primer dígito = comba máxima en porcentaje
de la cuerda, segundo dígito = ubicación de la posición de la comba máxima en décimos de
cuerda, medida desde el borde de ataque ( es decir 4, está en lugar de 40% ) y las dos
últimas cifras indican el espesor máximo en porcentaje de cuerda. El sistema de cinco
dígitos de NACA se explica en NACA-TR 610.
Selección de la sección del perfil:
Al seleccionar una sección aerodinámica en particular se consideran los siguientes factores:
• Coeficiente máximo de sustentación Clmax
• Coeficiente de resistencia mínima al avance CDmin
• Relación o razón Clmax / Cdmin
• Coeficiente de los momentos con la sustentación cero Cmo
• Valor máximo de la relación CL / CD
Las características de las secciones de los perfiles se encuentran en NACA-TR 586, 647,
669, 708, y 824.
Se debe tomar en cuenta el número de Mach el cual para mayores de 0,6 se deben emplear
perfiles delgados.
Los coeficientes adimensionales CL y CD son funciones del número de Reynolds,
Re = ρ V l / µ, para alas o las paletas se considera que la longitud característica l es la
cuerda. En aire estándar a nivel del mar, Re = 6378 V pies/s . l pie = 9354 V mi/h . l pie, la
variación de los coeficientes CL y CD con respecto al número de Reynolds se conoce como
efecto escala.
Además del número de Re las características de los perfiles dependen también del número
de Mach.
Tomando en cuenta estos parámetros los perfiles recomendados para la fabricación de las
paletas pueden ser NACA 4412, o 4420.
Posicionamiento y disposición de las paletas o hélices:
Para la colocación de las paletas debemos disponerlas de tal manera que exista un balance
entre ellas, cuidando mantener una separación equidistante unas de otras de forma de lograr
estabilidad en la distribución de los pesos y equilibrio.
Inclinación del eje de rotación:
Se debe mantener una inclinación en el eje de rotación sobre el plano horizontal a 6º
12
Posición de la curvatura
máxima ( 0.4 c )

13. Fabricación de las paletas:
Las palas deben fabricarse en plástico reforzado con fibra de vidrio ( “ GRP” ) es decir
poliéster o epoxy reforzado con fibra de vidrio.
Diferentes mecanismos direccionales de las turbinas de viento:
• Regulación por cambio del ángulo de paso: el aerogenerador o turbina de viento
debe ser capaz de girar alrededor de su eje longitudinal, estos poseen un mecanismo
de cambio de ángulo de paso que suele funcionar en forma hidráulica.
• Regulación por pérdida Aerodinámica ( “Stall controlled” ): en estos
aerogeneradores se ha utilizado el torsionar las palas en su eje longitudinal
ligeramente, para asegurar que la pala pierda la sustentación de forma gradual,
cuando la velocidad del viento alcance valores críticos, la ventaja de este diseño es
que se evitan partes móviles en el rotor y un complejo sistema de control, por otro
lado el diseño aerodinámico de éstas es muy complejo y lleva a retos en el diseño de
la dinámica estructural de toda la turbina, existen dos tipos de regulación:
La regulación activa por pérdida aerodinámica, cuando el aerogenerador alcanza
su potencia máxima nominal la máquina girará las palas en la dirección contraria a
la que lo haría una máquina de regulación por cambio de ángulo de paso, el ángulo
de paso de las palas aumentará para llevarlas a una posición de mayor pérdida de
sustentación y consumir así el exceso de energía del viento, de esta manera la
máquina podrá funcionar casi exactamente a la potencia nominal a todas las
velocidades del viento.
La regulación pasiva por pérdida aerodinámica tendrá generalmente una caída en
la producción de potencia eléctrica a altas velocidades de viento, dado que las palas
alcanzan una mayor pérdida de sustentación, el mecanismo de cambio de ángulo de
paso suele operarse mediante sistemas hidráulicos o motores eléctricos paso a paso.
Mecanismo de Orientación:
Es utilizado par girar el rotor de la turbina en contra del viento.
“Error de Orientación” se dice que una turbina eólica presenta un error de orientación
cuando el rotor no esta perpendicular al viento. Esto implica que una menor energía del
viento pasará a través del área del rotor.
Torres:
Existen diferentes tipos de torres las cuales se utilizan para las turbinas de viento las cuales
se ajustan a las necesidades de cada aplicación, entre estas tenemos:
• Tubulares con secciones cónicas ( más costosas )
• De celosía ( menos costosa pero de diseño poco estético )
• De tres patas combinación de torre de celosía y una torre tensada con vientos.
• Torre de mástil tensada con vientos para aerogeneradores pequeños construidos con
delgadas torres de mástil sostenidas por cables tensores, la ventaja es el ahorro de
peso, pero nos lleva a un difícil acceso a los componentes del rotor.
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14. Los molinos de viento tradicional poseen un rotor muy sólido y con muchas palas lo que
significa que girará incluso a velocidades de viento muy bajas y bombeará una cantidad de
agua razonable durante todo el año, son muy ineficientes a altas velocidades de viento y
tendrán que pararse y orientarse fuera del viento para evitar daños en la turbina debido a la
solidez del rotor, de esta manera nos damos cuenta que para lo que necesitamos este tipo de
diseño no se adapta a nuestras necesidades.
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