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.

1. PROYECTO
DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Julio Vergara Aimone
ICM 2312

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.
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

7. ENERGÍA EÓLICA
Energía eólica, principal éxito renovable
J.Vergara ICM2312

8. ENERGÍA EÓLICA
Tipos de fuentes renovables
 Térmico (concentración)
 Solar (directo)  Efecto Fotovoltaico
 Pasivo (invernadero)
 Hídrico (sol-mar)
 Eólico (sol-aire)
 Solar (indirecto)  CEOT (sol-mar)
 Olas (sol-aire-mar)
 Bioenergía (sol-biota)
 Lunar (gravedad)  Mareas (sol-luna-mar)
 Terrestre (rad.)  Geotermia
J.Vergara ICM2312

9. ENERGÍA EÓLICA
Balance de Energías Disponibles
Radiación de Energías Calor Energía Radiación de
onda corta diversas sensible cinética onda larga
Fuentes externas
Reflejo Energía Re-irra-
solar EP mareas diación
50000 172500 3 91400 122500
41400 Vapor de Cond.
2%
Atmósfera agua, gases, Aire Viento
particulas
1200
4600 3 25400
36000 Evap. 4000
65400 Océanos, rios, Olas, mareas
Hidrósfera reservorios Agua y corrientes
5400 0
21 Fund. Fricción 5600
15600 Hielo polar,
Litósfera humedad mat Roca y tierra
superior inorgánica
0 Depos.
Biósfera 133
Mat. orgánica Geotermia
Volc.
0 0.3 45
Depos. fósiles
Litósfera Decaimiento
5
Roca
inferior
Mat. inorgánica 40
Fuentes Internas Corazón Cifras en TW Adaptado de B. Sorensen
J.Vergara ICM2312

10. ENERGÍA EÓLICA
Usos de la Energía Disponible en la Tierra
Radiación de Energías Calor Energía Radiación de
onda corta diversas sensible cinética onda larga
Fuentes externas Fusión Principales
Reflejo Energía Re-irra-
solar EP mareas diación
50000
EBS 172500 3 91400 Secundarios
122500
Q Condens. Bomba Calor Eólico
Vapor de Cond.
Atmósfera
41400
agua, gases, Aire Viento Posibles
particulas
1200
4600 3 25400
Solar Hidro OTEC
36000 Evap. Bomba Calor
4000 Olas
65400 Océanos, rios, Olas, mareas
Hidrósfera reservorios Agua y corrientes Mareomotriz
5400 0
21 Fund. Fricción 5600
Litósfera 15600 Fusión polar,
Hielo Glaciar
1.0
Roca y tierra
humedad mat
superior inorgánica
0 Geointercambio
Depos.
133 Biomasa 2.5 12.5
Biósfera Mat. orgánica Sociedad
Fertilizantes Geotermia
Volc. 0.4 9.0
GN, petróleo, carbón
0 0.3 45 Calor residual y
Litósfera
Depos. fósiles
5
radiación térmica
inferior Geotermia
Decaimiento Roca 1.0
Decaimiento
Mat. inorgánica 40
Fuentes Internas Corazón Fisión Cifras en TW Adaptado de B. Sorensen
J.Vergara ICM2312

11. ENERGÍA EÓLICA
Usos de la Energía Disponible en la Tierra
Radiación de Energías Calor Energía Radiación de
onda corta diversas sensible cinética onda larga
Fuentes externas Fusión (para cada recurso) Principales
Reflejo Energía Re-irra-
solar EP mareas diación
100%50000
EBS 172500 3 91400 Secundarios
122500
Q Condens. Bomba Calor Eólico
Vapor de Cond.
Atmósfera
41400
agua, gases, Aire Viento Posibles
particulas
1200
4600 3 25400
Solar Hidro OTEC
36000 Evap. Bomba Calor
4000 Olas
65400 Océanos, rios, Olas, mareas
Hidrósfera reservorios Agua y corrientes Mareomotriz
5400 0
21 Fund. Fricción 5600
Técnico-Accesible
Litósfera 15600 Fusión polar,
Hielo Glaciar
1.0
Roca y tierra
humedad mat
Práctico-Social
superior inorgánica
0 Geointercambio
Depos.
Económico
Disponible
133 Biomasa 2.5 12.5
Biósfera Mat. orgánica Sociedad
Fertilizantes Geotermia
Volc. 0.4 9.0
GN, petróleo, carbón
0 0.3 45 Calor residual y
Litósfera
Depos. fósiles
5
radiación térmica
inferior Geotermia
Decaimiento Roca 1.0
0% Decaimiento
Mat. inorgánica 40
Fuentes Internas Corazón Fisión Cifras en TW Adaptado de B. Sorensen
J.Vergara ICM2312

12. ENERGÍA EÓLICA
Principales recursos eólicos
10600 TWh
~4030 GW (0.8 MM· 5 MW)
4600 TWh
14000 TWh 4800 TWh 1750 GW (0.4 MM· 5 MW)
~5300 GW (1 MM· 5 MW)
~1820 GW (0.4 MM· 5 MW)
10600 TWh
~4030 GW (0.8 MM· 5 MW)
5400 TWh 3000 TWh
~2050 GW (0.4 MM· 5 MW) ~1140 GW (0.2 MM· 5 MW)
53000 TWh (terrestre)
~20150 GW (4 MM· 5 MW)
Hoy: 90 GW, ~180 TWh y 35000+ #
J.Vergara ICM2312

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%)
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

16. ENERGÍA EÓLICA
Variabilidad: anual, mensual, diaria y horaria
J.Vergara ICM2312

17. ENERGÍA EÓLICA
Variabilidad anual: ciclos meteorológicos
J.Vergara ICM2312

18. ENERGÍA EÓLICA
Variabilidad mensual: función de localización
J.Vergara ICM2312

19. ENERGÍA EÓLICA
Variabilidad mensual: ciclos meteorológicos
J.Vergara ICM2312

20. ENERGÍA EÓLICA
Variabilidad diaria: más a mediodía en superficie
J.Vergara ICM2312

21. ENERGÍA EÓLICA
Uso de distribuciones para modelar y comparar
J.Vergara ICM2312

22. ENERGÍA EÓLICA
Diagrama polar de frecuencia eólica
J.Vergara ICM2312

23. ENERGÍA EÓLICA
Perfil de viento del Proyecto ICM2312
33%   
0°
Diagrama Polar Velocidad del Viento (m/s)
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

26. SISTEMAS EÓLICOS
Ejemplos de sistemas eólicos tradicionales
J.Vergara ICM2312

27. SISTEMAS EÓLICOS
También susceptibles al clima
J.Vergara ICM2312

28. SISTEMAS EÓLICOS
Dimensiones típicas de un sistema
5 MW
400 ton
300 ton 120 m
1300 m3 concreto
120 tons de acero
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

30. SISTEMAS EÓLICOS
Costa Afuera: más lejos y mejor viento
Middegrunden, Dinamarca, 20 x 2 MW
J.Vergara ICM2312

31. SISTEMAS EÓLICOS
Mar Afuera: otras posibilidades (ruido)
Sistema Flotante Norsk "Hywind” H2
J.Vergara ICM2312

32. SISTEMAS EÓLICOS
Conceptos de turbinas eólicas flotantes
Turbine Concepts
Estabilizado Estabilizado Estabilizado
por Lastre por Anclaje por Boyantez
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312

34. SISTEMAS EÓLICOS
Ejemplos de sistemas eólicos no tradicionales
sistemas multirotores
J.Vergara ICM2312

35. SISTEMAS EÓLICOS
Ejemplos de sistemas eólicos avanzados
¿Patagonia sin Eólica?
sistemas multirotores
J.Vergara ICM2312

36. DISEÑO DE SISTEMAS EÓLICOS
Aspectos de diseño de un sistema real
Radiador
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

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)
J.Vergara ICM2312

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)
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312

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).
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312

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
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312

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.
J.Vergara ICM2312