Proposta de Design de Aerogerador de Eixo Vertical

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21/10/2022

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Introducción al Derecho I

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFECIONAL TICOMÁN

T E S I N A

“PROPUESTA DE DISEÑO AERODINÁMICO DE UN
AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL”

Que para obtener el Título de
“Ingeniero en Aeronáutica”

Presenta
Crespo Pacheco Omar
1

Jorge Alberto Rodríguez Gómez
1

Edgar Gilberto Román Flores
1

Asesores
M. en C. Rogelio Gerardo Hernández García

Ing. Rubén Obregón Suárez

1
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Av. San José Ticomán No. 600 Delegación Gustavo A. Madero, México, D.F. C.P. 07340

México D. F., a 25 de Febrero del 2011
a

ÍNDICE TEMÁTICO.

NOMENCLATURA ................................................................................................................................. I
RELACIÓN DE TABLAS Y FIGURAS ....................................................................................................... II
RESUMEN ........................................................................................................................................... VI
ABSTRACT ......................................................................................................................................... VII
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... VIII
OBJETIVO ............................................................................................................................................ X
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................... X
ALCANCE ............................................................................................................................................ XI

CAPÍTULO 1. ESTADO TECNOLÓGICO DEL AEROGENERADOR ......................................................... 1
1.1 Antecedentes Históricos .............................................................................................................. 2
1.2 Energía Eólica en México .............................................................................................................. 4
1.2.1 Introducción ......................................................................................................................... 4
1.2.2 Sistemas Eólicos. Tecnologías. ............................................................................................ 4
1.2.3 Características y desarrollo de los aerogeneradores. ........................................................ 6
1.2.4 Regiones Eoloenergéticas de México. ................................................................................ 9

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO ........................................................................................................ 11
2. Diseño de aerogeneradores ......................................................................................................... 12
2.1. Clasificación de los aerogeneradores ....................................................................................... 12
2.1.1. Aerogeneradores de eje vertical ....................................................................................... 12
2.1.1.1. Aerogenerador Savonius .......................................................................................... 13
2.1.1.2. Aerogenerador Darrieus ........................................................................................... 14
2.1.2. Aerogeneradores de eje horizontal ................................................................................... 15
2.1.2.1. Aerogeneradores de eje horizontal lentos ............................................................... 16
2.1.2.2. Aerogeneradores de eje horizontal rápidos ............................................................ 16
2.1.2.2.1. Rotor a barlovento ............................................................................................ 17
2.1.2.2.2 Rotor a sotavento ............................................................................................ 18
2.2 Componentes de un aerogenerador .......................................................................................... 19
2.2.1. Caja multiplicadora ............................................................................................................ 20
2.2.2. Rotor ................................................................................................................................. 21
2.2.2.1. Buje .............................................................................................................................. 21
2.2.2.2. Palas ............................................................................................................................. 21
2.2.2.2.1. Materiales de la pala ........................................................................................ 21
2.2.2.2.1.1 Madera/epoxi ............................................................................................ 22
2.2.2.2.1.2. Fibra de vidrio/poliéster ............................................................................. 22
2.2.2.2.1.3. Acero ............................................................................................................ 22
2.2.2.2.2. Número de palas ............................................................................................... 22
2.2.2.2.2.1. Tres palas .................................................................................................. 23
2.2.2.2.2.2. Dos palas ..................................................................................................... 23
2.2.2.2.2.3. Una pala ....................................................................................................... 23
2.2.3. Sistema de orientación ...................................................................................................... 24
2.2.4. Sistema de refrigeración .................................................................................................... 25
2.2.5. Eje de baja velocidad ......................................................................................................... 25
2.2.5. Eje de alta velocidad .......................................................................................................... 26
b

2.3 Sistemas de regulación de potencia ........................................................................................ 26
2.3.1. Sistemas de regulación por acción sobre el rotor ............................................................. 26
2.3.1.1. Orientación del rotor ................................................................................................... 26
2.3.1.2. Paso variable ................................................................................................................ 27
2.3.2. Sistemas de regulación por acción sobre el eje ................................................................ 29
2.4 Generadores de turbinas eólicas ............................................................................................ 29
2.4.1. Generadores de corriente continua .................................................................................. 29
2.4.2. Generadores de corriente alterna ..................................................................................... 30
2.5. Torres de los aerogeneradores ................................................................................................. 31
2.5.1. Tipos de diseño .................................................................................................................. 31
2.5.1.1. Torres tubulares de acero ...........................................................................................31
2.5.1.2. Torres de celosía .......................................................................................................... 31
2.5.1.3. Torres de mástil tensado con vientos ......................................................................... 31
2.5.1.4. Torres híbridas ............................................................................................................. 32
2.5.2. Fabricación ......................................................................................................................... 32
2.6 Tamaño de los aerogeneradores. ........................................................................................... 33
2.6.1. Razones para elegir turbinas grandes ............................................................................... 34
2.6.2. Razones para elegir turbinas pequeñas ............................................................................ 34
2.7 Instalación ................................................................................................................................ 35
2.7.1. Instalaciones terrestres ..................................................................................................... 35
2.7.2 Instalaciones marítimas .................................................................................................... 35
2.7.2.1. Hormigón ..................................................................................................................... 35
2.7.2.2. Acero ............................................................................................................................ 36
2.7.2.3. Monopilote .................................................................................................................. 36
2.7.2.4. Trípode ......................................................................................................................... 37
2.8 Aspectos de seguridad ............................................................................................................... 37
2.8.1. Seguridad en los aerogeneradores .................................................................................... 37
2.8.2 Seguridad en el trabajo .................................................................................................... 38

CAPÍTULO 3. TEORÍA AERODINÁMICA DEL AEROGENERADOR ...................................................... 39
3. Teoría aerodinámica del aerogenerador .................................................................................... 40
3.1 Introducción ............................................................................................................................... 40
3.2 Energía del Viento...................................................................................................................... 41
3.3 Teoría del Momento, Análisis para un Aerogenerador ............................................................. 42
3.3.1 Coeficientes de Energía y Potencia para un Aerogenerador ............................................. 44
3.3.2 Eficiencia máxima teórica ................................................................................................... 46
3.4 Curva de potencia representativa para un aerogenerador...................................................... 47
3.5 Modelos de viento elementales. .............................................................................................. 50
3.6 Modelo de Elemento de Pala para Aerogeneradores ............................................................... 53
3.7 Teoría del elemento de ala – momento para un Aerogenerador ............................................. 56
3.7.1 Efecto del número de palas ................................................................................................ 61
3.7.2 El efecto del arrastre viscoso .............................................................................................. 61
3.7.3 Efectos de las pérdidas de carga en el borde de las alas ................................................... 62
3.7.4 Las pérdidas y otras pérdidas viscosas ............................................................................... 65
3.7.5 Efectos de pérdida de sustentación ................................................................................... 67
3.8 Perfil del ala para aerogeneradores........................................................................................... 67
3.9 Operación del flujo de guiñado .................................................................................................. 70
3.10 Consideraciones de Estela del Vórtice. .................................................................................. 71
c

3.11 Efectos aerodinámicos inestables en aerogeneradores ...................................................... 79
3.11.1 Sombra de la torre .......................................................................................................... 83
3.11.2 Pérdida dinámica y retraso de la pérdida ...................................................................... 84
3.12 Requerimientos del modelado para aerodinámica avanzada .............................................. 88
3.13 Resumen ................................................................................................................................... 89

CAPÍTULO 4. DISEÑO Y MANUFACTURA DEL PROTOTIPO A ESCALA DE UNA DE LAS PALAS DEL
AEROGENERADOR ........................................................................................................................ 91
4.1 Diseño del prototipo en software ............................................................................................ 92
4.2 Proceso de Manufactura ......................................................................................................... 94
4.3 Construcción del prototipo ....................................................................................................... 97

CAPÍTULO 5. PRUEBAS AERODINÁMICAS EN EL TUNEL DE VIENTO ............................................... 98
5.1 Cálculo de Presión Dinámica ..................................................................................................... 99
5.2 Prueba en el túnel de viento ................................................................................................... 101
5.3 Datos obtenidos ....................................................................................................................... 103

CAPÍTULO 6. ANÁLISIS Y CÁLCULOS AERODINÁMICOS ................................................................. 107
6.1 Creación de la polar para los 360° ........................................................................................... 108
6.2 Cálculo aerodinámico del aerogenerador............................................................................... 113
6.3 Gráfica del comportamiento del aerogenerador. .................................................................. 126
6.4 Presiones y Velocidades generadas en el perfil NACA 8H-12 mediante el software ANSYS 12
.................................................................................................................................................... 126
6.4.1 Presiones sobre el perfil a 0° ........................................................................................... 127
6.4.2 Velocidades del flujo sobre el perfil a 0° ........................................................................ 127
6.4.3 Flujo de partículas en el perfil a 0°................................................................................. 128
6.4.4 Presiones sobre el perfil a 90°......................................................................................... 128
6.4.5 Velocidades del flujo sobre el perfil a 90° ......................................................................129
6.4.6 Flujo de partículas en el perfil a 90°............................................................................... 129
6.4.7 Presiones sobre el perfil a 180°....................................................................................... 130
6.4.8 Velocidades del flujo sobre el perfil a 180° .................................................................... 130
6.4.9 Flujo de partículas en el perfil a 180° ............................................................................ 131
6.4.10 Presiones sobre el perfil a 270°..................................................................................... 131
6.4.11 Velocidades del flujo sobre el perfil a 270° .................................................................. 132
6.4.12 Flujo de partículas en el perfil a 270° .......................................................................... 132
I

NOMENCLATURA

Símbolo Descripción

Velocidad del Viento
Flujo másico
A Área del disco
Densidad
Velocidad inducida
El cambio en el momento del flujo a través del disco
El trabajo realizado en el aire por la turbina por unidad de tiempo,
Potencia de salida de la turbina
Relación de inducción
Coeficientes de Energía
Turbina
Coeficiente de potencia.
Relación de máxima-velocidad

Altura de la torre
Altura de referencia definida
Velocidad del viento como un promedio componente
u Componente temporal o fluctuante
Intensidad de turbulencia
Potencia de viento promedio
Angulo de paso local del elemento de pala
dL Resultantes de levantamiento
dD Resistencia al avance
Coeficiente de levantamiento
Coeficiente de resistencia al avance
Velocidad de flujo resultante
c Cuerda de la pala
Número de palas que comprende el rotor
Coeficiente de empuje incremental en la turbina
Relación de velocidad
Ángulo del flujo
BEMT La teoría del elemento de pala
r Posición radial del elemento de la pala
F Pérdidas de carga en el extremo de palas
r0 Distancia cortada a partir de la raíz que representa la falta de sustentación aerodinámica que
producen las superficies cerca del cubo
y Ángulo de des alineamiento de guiñado del disco de la turbina con respecto al viento
Valor corregido del radio de inducción
Ks Relación con el ángulo de sección de la estela
Frecuencia reducida asociada con las fluctuaciones en la velocidad en el elemento de la pala

RELACIÓN DE TABLAS Y FIGURAS

FIGURAS
Figura 2.1

Rotores Savonius. 13
Figura 2.2

Aeroturbina Savonius para bombeo de agua. 14
Figura 2.3

Aerogenerador Darrieus.

15
Figura 2.4 Molino americano.

16
Figura 2.5

Rotor a barlovento.

18
Figura 2.6 Rotor a sotavento.

19
Figura 2.7

Caja multiplicadora.

20
Figura 2.8

Sistema de orientación mediante veleta.

24
Figura 2.9 Eje de baja velocidad.

25
Figura 2.10 Sistemas de regulación por orientación del roto. 27

Figura 2.11

Sistema de regulación centrífuga mediante bielas. 27
Figura 2.12 Sistemas de regulación del ángulo de calaje de las palas. 28
Figura 2.13 Laminación de las secciones cónicas de las torres. 32
Figura 2.14 Relación potencia-diámetro del rotor. 34

Figura 3.1 Modelo de flujo usado para el análisis de teoría de momento para un aerogenerador. 43

Figura 3.2 Solución de Teoría de Momentum para un aerogenerador en flujo axial en términos de
la relación de inducción. Mediciones de diversas fuentes incluyendo Lock (1925).
46

Figura 3.3 Potencia de salida de un aerogenerador con velocidad en la punta constante en
función de la velocidad del viento.
48
Figura 3.4

Representación de la curva del coeficiente de potencia contra la relación de velocidad
en la punta para un aerogenerador de eje horizontal de velocidad constante (rpm).
49
Figura 3.5 Representación de las curvas del coeficiente de potencia contra la velocidad del viento
para un aerogenerador de eje horizontal con velocidad constante y variable (rpm).
49
Figura 3.6 Aerogenerador operando en una capa limite atmosférica. 51
Figura 3.7 Modelo de un elemento de pala para un aerogenerador operando en un flujo axial (sin
guiñado).
53
Figura 3.8 Empuje representativo producido en el aerogenerador en función de la relación de
velocidad de punta con el BEMT para diversos ángulos de inclinación. No hay pérdidas
no ideales.
59
Figura 3.9 Salida de energía representativa producida en el aerogenerador en función de la
proporción de velocidad de punta con el BEMT para diversos ángulos de inclinación. No
60
III

hay pérdidas no ideales.
Figura 3.10 Salida de energía representativa producida a partir de un aerogenerador para un
número variable de palas en función de la proporción de velocidad de punta con el
BEMT. No hay pérdidas no ideales.
60
Figura 3.11 Salida de potencia representativa de un aerogenerador para las secciones de la
superficie de sustentación con diferentes coeficientes de fricción viscosa asumido en
función de la proporción de velocidad de punta con el BEMT. No hay pérdidas no
ideales.
62
Figura 3.12 Distribuciones representativas de la relación de la inducción, la carga de empuje y par
torsional para un aerogenerador con giro ideal, con y sin efectos de la pérdida de la
punta de Prandtl. (a) La relación de inducción.
(b) La distribución de empuje. (c) Distribución de energía de extracción.
64
Figura 3.13 Turbina de potencia en función de TSR que muestra el efecto independiente de la
fricción viscosa y pérdidas de punta de Prandtl.
65
Figura 3.14 Variación del factor de inducción axial en función de la TSR para un aerogenerador con
las hojas dando factor ideal de inducción uniforme.
66
Figura 3.15 Turbina de potencia en función de la TSR que muestra los efectos de perdida en la pala.
Fuente de datos: Medidas de un aerogenerador de dos palas, cortesía de NREL.
66
Figura 3.16 Ejemplos de secciones aerodinámicas utilizadas para los aerogeneradores: (a) NACA
4415. (b) LS(1)-0417. (c) NREL S809.
68
Figura 3.17 Características de sustentación y resistencia de la superficie de sustentación del
aerogenerador NREL S820 en condiciones permanentes como no permanentes con
pérdida dinámica (α = 10° + 10° ωt, k = 0.077). Fuente de datos: Ramsay et. al. (1995) y
Hand et. al. (2001).
69
Figura 3.18 Fotografía de un vórtice de estela de un aerogenerador de eje horizontal renderizado
utilizando una inyección de humo visible. Observe la estela sesgada resultado de un
gradiente de viento y los efectos de la sombra de la torre. Fuente: foto cortesía de
NREL.

72
Figura 3.19 Modelado del flujo debajo de la estela de un aerogenerador utilizando el método de
filamentos de libre vórtice, con vórtices mostrados al final de la punta de cada pala.
74
Figura 3.20 Predicciones del desarrollo del vórtice de estela detrás de un aerogenerador a varias
relaciones de velocidad en la punta utilizando un FVM. Vistas superiores de la estela: (a)
XTSR= 13.3, (b) XTSR= 8.3, (c) XTSR= 6.7, (d) XTSR= 4.2, (e) XTSR= 3.3, y (f) XTSR= 2.1.

76
Figura 3.21 Coeficiente de potencia en función de la relación de velocidad en la punta usando
vórtices de estela y teorías BEMT.
77
Figura 3.22 Cálculos de vórtice de estela–libre de una aerogenerador de tres palas guiñado 30°
fuera del viento. Vistas superiores de la evolución de la estela; (a) Tiempo = 0. (b)
Tiempo = 2 revs. (c) Tiempo = 5 revs. (d) Tiempo = 10 revs.

78
Figura 3.23 Coeficiente de potencia como en función del tiempo para la condición cuando la
turbina es guiñada repentinamente fuera del viento.

78
Figura 3.24 Resumen de varias fuentes aerodinámicas que contribuyen a las cargas aerodinámicas 80
IV

en un aerogenerador.
Figura 3.25 Predicción del levantamiento inestable durante un encuentro simulado con la sombra
de latorre usando la teoría de perfiles aerodinámicos inestables 2-D.
84
Figura 3.26 El inicio de la pérdida en la turbina produce altas cargas aerodinámicas no-lineales y
una estructura de la estela turbulenta. Fuente: Foto cortesía de NREL.
86
Figura 4.1 Barra de conexión entre pala y báscula del túnel de viento. 92
Figura 4.2 Diseño parte hembra de la pala. 93
Figura 4.3 Diseño parte macho de la pala. 93
Figura 4.4 (a) Proceso de fabricación de las piezas de la pala dentro de la impresora en 3D. 94
Figura 4.4 (b) Proceso de fabricación de las piezas de la pala dentro de la impresora en 3D. 94
Figura 4.4 (c) Proceso de fabricación de las piezas de la pala dentro de la impresora en 3D. 95
Figura 4.5 Tablero de control de Impresora en 3D, en el display se muestra las partes que se
construyen y el tiempo de fabricación.
95
Figura 4.6 (a) Impresora 3-D. 96
Figura 4.6 (b) Impresora 3-D, área de trabajo. 96
Figura 4.7 Pala a escala para un aerogenerador. 97
Figura 4.8 Pala a escala con acabados para un aerogenerador. 97
Figura 5.1 Colocación y ajuste del prototipo a 0° en el túnel de viento. 101
Figura 5.2 Colocación y ajuste del prototipo a 50° en el túnel de viento. 101
Figura 5.3 (a) Prototipo a 190° de ángulo de ataque, (b) Prototipo a 90° de ángulo de ataque. 102
Figura 5.4 Display de lecturas obtenidas en el túnel de viento. 102
Figura 5.5 Báscula que censa las fuerzas generadas en la prueba. 103
Figura 5.6 Proceso experimental para obtención de presión dinámica . 105
Figura 6.1 Vista superior del aerogenerador. Azul posición inicial, verde posición a 45°. 113
Figura 6.2 Presiones generadas a 0° de ángulo de ataque. 127
Figura 6.3 Velocidades del flujo generadas a 0° de ángulo de ataque. 127
Figura 6.4 Flujo de las partículas a 0° de ángulo de ataque. 128
Figura 6.5 Presiones generadas a 90° de ángulo de ataque. 128
Figura 6.6 Velocidades del flujo generadas a 90° de ángulo de ataque. 129
Figura 6.7 Flujo de las partículas a 90° de ángulo de ataque. 129
Figura 6.8 Presiones generadas a 180° de ángulo de ataque. 130
Figura 6.9 Velocidades del flujo generadas a 180° de ángulo de ataque. 130
Figura 6.10 Flujo de las partículas a 180° de ángulo de ataque. 131
Figura 6.11 Presiones generadas a 270° de ángulo de ataque. 131
Figura 6.12 Velocidades del flujo generadas a 270° de ángulo de ataque. 132
Figura 6.13 Flujo de las partículas a 270° de ángulo de ataque. 132

TABLAS
Tabla 3.1 Coeficientes del modelo de capa limite atmosférica. 52
Tabla 5.1 Resultados obtenidos mediante la prueba de la pala (perfil NACA 8H-12) en el túnel de
viento.
103
Tabla 5.2 Condiciones iniciales. 105
Tabla 5.3

Lecturas. 105
Tabla 6.1 (a) Resultados obtenidos mediante la prueba de la pala (perfil NACA 8H-12) en el túnel de
viento.
109
Tabla 6.1 (b) Resultados obtenidos mediante la prueba de la pala (perfil NACA 8H-12) en el túnel de
viento.
110
Tabla 6.1 (c) Resultados obtenidos mediante la prueba de la pala (perfil NACA 8H-12) en el túnel de
viento.
111
Tabla 6.2 Datos. 114
Tabla 6.3 (a) Resultados de cálculo. 114
Tabla 6.3 (b) Resultados de cálculo. 115
Tabla 6.3 (c) Resultados de cálculo. 116
Tabla 6.3 (d) Resultados de cálculo. 117
Tabla 6.3 (e) Resultados de cálculo. 118
Tabla 6.3 (f) Resultados de cálculo. 119
Tabla 6.3 (g) Resultados de cálculo. 120
Tabla 6.3 (h) Resultados de cálculo. 121
Tabla 6.3 (i) Resultados de cálculo. 122
Tabla 6.3 (j) Resultados de cálculo. 123
Tabla 6.3 (k) Resultados de cálculo. 124
Tabla 6.3 (l) Resultados de cálculo. 125

RESUMEN

Este trabajo presenta el estudio aerodinámico de un aerogenerador de eje vertical. El estudio
comprende el análisis experimental, numérico y analítico mediante un modelo a escala de una
pala del aerogenerador con perfil aerodinámico tipo NACA-8H12. Las herramientas de cómputo
utilizadas para el análisis numérico fueron ANSYS 12®. El modelado geométrico de la pala fue
efectuado en el paquete de diseño NX7.0® y manufacturado mediante el proceso de
estereolitografía de prototipado rápido en una máquina de impresión tridimensional. El modelo
fue probado en un túnel aerodinámico a un No. de Reynolds de 16700.

VII

ABSTRACT

This dissertation presents the aerodynamic study of a vertical axis wind turbine. The study includes
the experimental analysis, numerical and analytical through of a scale model of a wind turbine
blade with a airfoil NACA-8H12 type. Computational tools used for numerical analysis was ANSYS
12 ®. The geometric modeling of the blade was made in the design package NX7.0 ® and
manufactured by the process of stereolithography in a three-dimensional printing machine. The
model was tested in a wind tunnel at a Reynolds No. 16700.

VIII

INTRODUCCIÓN

Este documento se compone de seis capítulos que se detallan a continuación:

CAPITULO I

En este primer capítulo se parte de todos los antecedentes históricos acerca de la energía eólica,
se explica un poco de ellos alrededor del mundo y en nuestro país (México) de este tipo de energía
y las principales formas y mecanismos de aprovechamiento de este peculiar tipo.
A lo largo de la historia, han sido muchas las culturas que han aprovechado la energía eólica, para
medios de transportación, el funcionamiento de alguna otra máquina, transformación de energía,
etc. En México, también se ha hecho uso de este tipo de energía desde culturas prehispánicas para
diversas funciones hasta la actualidad, como: navegación, aprovechamiento de energía eólica para
transformación a energía eléctrica por medio de aerogeneradores, así como algunas leyes de
actualidad para el uso de la misma, ya que es una energía limpia y renovable.

CAPITULO II

En el segundo capítulo se describen a detalle las características de los aerogeneradores, partiendo
de un enfoque general a uno particular, mencionando ejemplos de los más comunes que han
existido, se habla también de sus formas y materiales más utilizados para su fabricación,
mostrando las ventajas y desventajas de los mismos.

CAPITULO III

En este capítulo se explica la aerodinámica del aerogenerador, principalmente para mostrar
diferencias y similitudes con los rotores del helicóptero, y explicando algunos modelos
matemáticos que son utilizados para el análisis y diseño de un aerogenerador y algunos efectos
aerodinámicos que son generados por las características de este.

CAPITULO IV

En este capítulo se hace la justificación del porque se utiliza un perfil aerodinámico tipo NACA-
8H12. Así como el proceso de diseño, seguido por el modelado en el software NX7.0 y
posteriormente una impresión en 3D del modelo aerodinámico a escala (pala) por medio.

CAPITULO V

El prototipo se utilizará en el túnel de viento de la escuela (ESIME unidad Ticomán) para sus
pruebas aerodinámicas a los 360° y tomar en cuenta los datos obtenidos para generar su gráfica
polar para los 360°. La utilización de este proceso de diseño, fabricación y pruebas es debido a que
no es común realizar cálculos matemáticos para dicho análisis (a los 360°), así que se optará por
análisis experimental en túnel de viento.

CAPITULO VI

En este capítulo se llevarán a cabo todos los cálculos correspondientes para el análisis matemático
aerodinámico, se parte de que se cuenta con los datos necesarios obtenidos experimentalmente
elaborado en el túnel de viento, se elaboró la gráfica polar del perfil para los 360°. Posteriormente,
haciendo uso del software ANSYS 12 se llevó a cabo otro tipo de análisis de la distribución de
presiones y velocidadescon las que trabaja el perfil aerodinámico, ya que con este tipo de pruebas
se comprobaría si es un perfil óptimo para el uso en aerogeneradores.

Finalmente, se detallan las conclusiones obtenidas de acuerdo a la investigación realizada y el
modelo experimental.

OBJETIVO

Desarrollar el análisis aerodinámico de un aerogenerador de eje vertical, siendo éste un diseño no
convencional, mediante un análisis experimental, numérico y analítico.

JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo consiste en desarrollar el estudio de la aerodinámica en un aerogenerador con
eje vertical. Esta iniciativa surge porque el uso de este tipo de turbinas eólicas en México sigue
siendo hasta el momento muy poco usual, ya que en nuestro país los aerogeneradores que
comúnmente son utilizados, son aquellos en los cuales su eje es horizontal.

También se considera aprovechar el recurso eólico, ya que es un potencial energético que en la
actualidad tiene un crecimiento importante, siendo que en diversas partes del mundo, en especial
Europa, se han construido parques de producción eólica que son esenciales para producir y poder
abastecer de energía eléctrica a miles de hogares.

Los estudios y la nueva tecnología han sido enfocados y aplicados en aerogeneradores de eje
horizontal dejando en segundo plano a los aerogeneradores de eje vertical. Sin embargo los
aerogeneradores de eje vertical presentan ciertas ventajas con respecto a los de eje horizontal,
tales como:

1) No necesitan una torre, por ello el mantenimiento e instalación de sus sistemas de
generación son más sencillos.
2) No requieren de mecanismo de orientación para lograr orientarse respecto al viento.

La aportación del prototipo desarrollado permite visualizar las mejoras tecnológicas en los
sistemas aerodinámicos haciendo uso de los aerogeneradores, se considera que es necesario
seguir estudiando con profundidad los vientos en las diferentes zonas del país para el uso eficiente
de recursos renovables como lo es la energía eólica. Algunas áreas de oportunidad que pueden
aprovechar el uso de esta tecnología son los sistemas de iluminación de las vialidades, puntos de
iluminación en zonas peligrosas, iluminación de carteles, espectaculares publicitarios.

ALCANCE

En el contexto de esta memoria, se ha realizado el análisis y diseño de un prototipo de
aerogenerador de eje vertical con lo cual se busca mejorar la optimización aerodinámica y
estructural del aerogenerador.

De acuerdo al objetivo planteado, se pretende que el prototipo presente ventajas respecto a otros
aerogeneradores, tales como generadores comerciales con capacidades similares, no se pretende
competir a niveles industriales con grandes torres eólicas de eje horizontal o vertical.

Éste trabajo es tratado en términos conceptuales dejando puntos abiertos a importantes mejoras
y avances, tales como la construcción del prototipo.
1

CAPÍTULO 1

ESTADO TECNOLÓGICO DEL
AEROGENERADOR

1.1 Antecedentes Históricos

La energía eólica ha sido aprovechada como fuerza motriz en la navegación y para generar energía
mecánica en molinos de granos y bombas de agua desde tiempos muy remotos. Solo desde el siglo
pasado se comenzó a aprovechar para generar energía eléctrica.

Los egipcios navegaban el Nilo con embarcaciones de vela 3000 años A.C. Los molinos de viento
parecen haberse originado en Persia hace unos 2000 años. Estos primeros molinos eran de eje
horizontal y movían un par de piedras redondas sin emplear engranes.

La primera mención explícita sobre molinos de viento en Europa data de 1105, en Inglaterra hay
referencias a molinos de viento de 1143. Los molinos de viento adquieren su mayor importancia
en el medievo para la molienda de granos, en Canterbury, Inglaterra alrededor de 1260.

En 1332 los molinos aparecen en Venecia en 1341 el Obispo de Utrech intentó establecer
autoridad sobre los vientos que soplaban en su provincia. Hacia el siglo XV los molinos de viento y
agua se habían convertido ya en el complemento más importante de la fuerza humana y animal.
Durante el siglo XVII la tecnología de molinos estaba ya bastante desarrollada, siendo los
holandeses los más avanzados, se estima que para entonces existían unos 10,000 molinos de
viento entre 10 y 20 HP cada uno (unos 110 MW) en Inglaterra y unos 12,000 en los países bajos
(unos 125 MW).

En 1745 el inglés E. Lee inventó la cola de molino, lo que permite que éste se oriente en forma
perpendicular al viento maximizando así la energía captada. Hacia finales del Siglo XVIII los
holandeses tenían instalados unos 20,000 molinos de viento, aproximadamente 400 MW en total.
Las aplicaciones de la energía eólica se extendieron a la industria del papel y los aserraderos.

A principios del Siglo XIX el aprovechamiento de la energía eólica en las industrias europeas
empezó a declinar como consecuencia del desarrollo de las máquinas de vapor. Durante este siglo
el principal objeto de atención en los desarrollos tecnológicos de molinos fueron las aspas y la
forma de controlar automáticamente la velocidad del eje de rotación, (frenos de aire,
gobernadores centrífugos, etc.). A finales del Siglo XIX los daneses habían conquistado el liderazgo
tecnológico del recurso eólico y se estima que tenían instalados unos 10,000 molinos de viento
(aproximadamente 1,000 MW). A mediados del siglo, D. Halladay introdujo las aerobombas en
Estados Unidos. Posteriormente en 1883 S. Perry las fabricó en acero y su diseño fue copiado en
todo el mundo ya que era barato y confiable aunque ineficiente.

Durante este mismo siglo se construyeron en Estados Unidos seis millones de molinos, de los
cuales 150,000 están aún en operación. El desarrollo de molinos para generar electricidad se
generalizó fines del Siglo XIX y principios del XX. El primer aerogenerador de energía eléctrica fue
diseñado por P. Lacour en Dinamarca y entró en operación en 1890, poco tiempo después que el
primer generador eléctrico de vapor.
3

Hacia 1916 en Dinamarca se tenían en operación más de 1,300 aerogeneradores con una
generación de 500 GWh al año. En Estados Unidos, antes del inicio de su programa de
electrificación rural. En la década de 1930, los pequeños molinos de viento de menos de medio Kw
eran prácticamente la única fuente de energía eléctrica disponible en zonas rurales.

En 1929 los franceses construyeron en Bourget un aerogenerador con aspas de 20 m de diámetro
colocada sobre una torre de 10 m de altura y una capacidad de 15 kW a una velocidad de viento
de 6 m/s.

En 1931 en la Unión Soviética se construyó un aerogenerador con aspas de 30.5 m de diámetro y
una torre de 23 m de altura. La capacidad de generación era de 100 kW a 11.1 m/s y produciendo
280 MWh al año.
Entre 1941 y 1945 en Estados Unidos se construyó la unidad Smith-Putnam que sería la más
grande del mundo hasta 1978, su rotor tenía dos aspas de 53 m de diámetro, montado sobre una
torre de 33 m de altura y con una potencia nominal de 1.25 MW a 13.4 m/s. Después de 1100
horas de operación un aspa defectuosa para la operación y con eso el experimento.

En 1942 en Dinamarca se puso en operación un sistema eólico de 45 kW en la Isla de Bogo, con
un rotor de 13.4 m de diámetro y tres aspas.

Entre 1959 y 1957 en Dinamarca, cerca de Gedser, se construyó un aerogenerador con una
potencia nominal de 200 kW que después de un periodo inicial de prueba operó normalmente
desde 1959 hasta 1967. Durante este periodo proporcionó un total de 2,242 MWh. Las
características básicas eran un rotor de tres aspas de 24 m, viento abajo, eje horizontal, que
operaba a 30 rpm con una velocidad de viento de diseño de 15 m/s pero podía aceptar vientos de
5 a 38 m/s.

En 1957 en Francia se instaló una unidad de 800 kW y en 1963 otra de 1 MW. Aunque la
investigaciónpara el aprovechamiento del viento continuó, el bajo precio de los hidrocarburos
desalentó en gran medida esta práctica durante el periodo 1950-1970, posterior a esto los
programas eólicos retomaron importancia a un ritmo acelerado. En Estados Unido bajo el
patrocinio de la NASA se construyó una planta generadora de 100 MW en Ohio en 1975.

En 1977 un aerogenerador canadiense tipo Darrieus de 200 kW, se conectó a la red de Islas
Magdalena en el Golfo de San Lorenzo. Como parte del programa de la NASA entró en operación
una unida de 1.5 MW, y en Dinamarca entró en operación otro más de 2 MW con dos aspas y un
costo aproximado de 350,000 USD.

En 1973 el Gobierno Federal de los Estado Unidos aportó 300,000 USD para el programa de
viento, para 1980 este presupuesto se había incrementado a 67 millones de dólares.

1.2 Energía Eólica en México

1.2.1 Introducción

Históricamente las primeras aplicaciones de la energía eólica fueron la impulsión de navíos, la
molienda de granos y el bombeo de agua, y sólo hasta finales del siglo pasado la generación de
energía eléctrica. Actualmente las turbinas eólicas convierten la energía cinética del viento en
electricidad por medio de aspas o hélices que hacen girar un eje central conectado, a través de
una serie de engranajes (la transmisión) a un generador eléctrico.

En lo que respecta a capacidad instalada, para finales de 1997 a nivel mundial se tenían instalados
alrededor de 7700 MW. En México se cuenta con la central eólica de la Ventosa en Oaxaca,
operada por CFE, con una capacidad instalada de 1.5 MW y una capacidad adicional en
aerogeneradores y aerobombas, según el Balance nacional de energía de 1997, de alrededor de
2.4 MW.

Existen varias ventajas competitivas de la energía eólica con respecto a otras opciones, como son:
Se reduce la dependencia de combustibles fósiles.
Los niveles de emisiones contaminantes, asociados al consumo de combustibles fósiles
se reducen en forma proporcional a la generación con energía eólica.
Las tecnologías de la energía eólica se encuentran desarrolladas para competir con
otras fuentes energéticas.
El tiempo de construcción es menor con respecto a otras opciones energéticas.
Al ser plantas modulares, son convenientes cuando se requiere tiempo de respuesta
de crecimiento rápido.

La investigación y desarrollo de nuevos diseños y materiales para aplicaciones en aerogeneradores
eólicos, hacen de esta tecnología una de las más dinámicas, por lo cual constantemente están
saliendo al mercado nuevos productos más eficientes con mayor capacidad y confiabilidad.

1.2.2 Sistemas Eólicos. Tecnologías.
A partir de las diversas experiencias internacionales de operación de grandes conjuntos de
aerogeneradores modernos, constituyendo centrales eoloeléctricas, de 1980 a 1995 se evolucionó
de la máquina de 50 kW a la de 500 kW, estando actualmente en proceso de introducción las
unidades de 750 y 1000 kW, las que se consideran el tope para este tipo de arquitectura y
tecnologías actuales de grandes aerogeneradores.
5

La tecnología de materiales alrededor de los materiales compuestos, que permitan estructuras
más esbeltas y ligeras, más resistentes a la oxidación y la corrosión, y más fuertes a la vez, así
como de supermagnetos en los generadores, permitirán desarrollar nuevos conceptos más
confiables y económicos, desde unidades de decenas de Watts hasta grandes aerogeneradores de
potencia, trabajando en régimen de velocidad variable, aprovechando mejor la energía del viento
y constituyendo junto con la energía hidroeléctrica, el soporte principal de la generación eléctrica
en los sistemas nacionales.
Para fines del año 2000 se esperan están instalados en el mundo, más de 14,000 MW. En Europa,
Alemania, Dinamarca, el Reino Unido, España y Grecia tienen los programas más ambiciosos. En
España, la empresa eléctrica de la Provincia de Navarra tiene planeada la instalación de 54
Centrales eoloeléctricas y espera producir más del 50% de la energía que distribuye. La empresa
eléctrica de la Provincia de Euskadi (País Vasco) también prevé un desarrollo importante, lo que ha
ocasionado, paradójicamente, que grupos ecologistas protesten por lo que consideran excesivo.
Para el año 2020, la Asociación Europea de Energía Eólica, estima tener más de 20,000 MW
instalados de potencia eólica para generación de electricidad. China y la India son dos países que
han decidido dar un impulso grande a esta forma de generación eléctrica, para lo cual se han
asociado con empresas europeas para fabricar en esos países el equipamiento requerido. En
América Latina, Costa Rica y Argentina llevan la delantera, con 20 y 9 MW respectivamente. En
Argentina son las empresas eléctricas cooperativas de la Patagonia las que han dado el impulso,
las leyes estatales de la Provincia de Chubut, obligan a un 10% de la generación eléctrica con
energía eólica. México tiene una central de 1,575 kW en la Venta, Oaxaca, con planes de ampliarla
a 54 MW. Nicaragua también tiene planes de instalar una central eólica de al menos 30 MW. En el
Caribe, la empresa eléctrica de Curazao opera desde marzo de 1994 una centralita de 4 MW que
fue la primera eoloeléctrica en América Latina y el Caribe.
En México, el desarrollo de la tecnología de conversión de energía eólica a electricidad, se inició
con un programa de aprovechamiento de la energía eólica en el Instituto de Investigaciones
Eléctricas (IIE) en febrero de 1977, cuando la Gerencia General de Operación de Comisión Federal
de Electricidad, cedió al IIE la Estación Experimental Eoloeléctrica de El Gavillero, en las cercanías
de Huichapan, Hidalgo, donde se pretendía energetizar el ejido ya electrificado y con servicio, a
partir de una microcentral eólica, integrada por dos aerogeneradores australianos Dunlite de 2 kW
cada uno, un banco de baterías, y un inversor de 6 kW para alimentar la red de distribución del
poblado. El inversor, construido por personal de CFE, fallaba arriba de los dos kW de demanda por
problemas de calidad de componentes, por lo que físicamente no pudo realizarse el experimento,
sin embargo, estando instrumentado el sitio, se tenían los promedios horarios de velocidad del
viento y conociéndose las características de respuesta de los aerogeneradores era posible estimar
numéricamente la energía que podría suministrarse al ejido. El régimen de vientos del lugar
producía exceso de energía en verano y déficit en invierno para el consumo normal del poblado.
La Estación Experimental de El Gavillero se habilitó como centro de prueba de pequeños
aerogeneradores y en ella se construyó además un simulador de pozo de agua para la prueba y
caracterización de Aerobombas. La Estación estuvo en operación hasta 1996 en que fue
desmantelada.

El IIE desarrollo y probó en El Gavillero, los siguientes prototipos de aerogeneradores:
1. De 1.5 kW, tres aspas de aluminio, con control centrífugo de ángulo de ataque (1977-
1978)

2. El Fénix, de 2 kW, eje horizontal y tres aspas fijas de lámina de hierro, y control de cola
plegable (1981-1983)

3. El Albatros I, de 10 kW, eje horizontal, 11 m de diámetro, tres aspavelas de estructura de
Al y forradas de tela de dacrón de alta resistencia. (1981-1985)

4. El Albatros II, de 10 kW, eje horizontal, tres aspas de fibra de vidrio súper delgada con
control por torcimiento del aspa. (1986-1987)

5. La segunda versión del Fénix, con tres aspas de fibra de vidrio. (1992-1995)

6. La Avispa, de 300 Watts, eje horizontal, tres aspas de fibra de vidrio y control por timón de
cola plegable. (1990-1995)

7. También se desarrolló una aerobomba mecánica, denominada "Itia", de eje horizontal, 5
aspas metálicas, con potencia del orden de 1/4 de HP, que bombeaba agua de pozos de
hasta 50 m de profundidad. Este sistema, probado también en El Gavillero, en el simulador
de pozos, fue objeto de una patente para el IIE,y aunque se concedió licencia para su
fabricación y comercialización, la carencia de un mecanismo de financiamiento de riesgo
compartido, la dificultad para la creación de la red de distribución y servicios, como la falta
de financiamiento a los usuarios potenciales, impidió su diseminación.

1.2.3 Características y desarrollo de los aerogeneradores.

En 1978, un aerogenerador de 1.5 kW con rotor horizontal de tres aspas de lámina de Aluminio,
que tenían control del ángulo de ataque para regular la potencia entregada. Después de las
pruebas de caracterización, que resultaron satisfactorias y corroboraban las expectativas de
diseño, estando parado, frenado y con las aspas amarradas a la torre, un gran remolino lo impactó,
arrancándole dos aspas y destruyéndolas. Los exámenes posteriores evidenciaron un error en los
procedimientos de soldadura en atmósfera inerte, en el soporte rotatorio del mango del aspa.
Dicho prototipo no fue reconstruido al evidenciarse problemas de suministro de componentes y
materiales, así como del control de calidad en los procesos de fabricación.

Con la experiencia adquirida, se inició el diseño y desarrollo de un aerogenerador de 2 kW
denominado Fénix -por el ave que resurge de sus propias cenizas- de tres aspas fijas de lámina de
hierro, el que sometido a pruebas y mejoras, evolucionó a tres aspas de fibra de vidrio de alta
eficiencia aerodinámica, generador trifásico de imanes permanentes y sistema de control a base
de timón de cola plegable, que lo mismo limita la potencia que lo inhabilita para condiciones de
vientos extremos. Este pequeño aerogenerador es capaz de proporcionar del orden de 250 kWh
por mes, lo que permitiría energizar una vivienda rural con todos los servicios eléctricos usados
responsablemente. Este aerogenerador es también objeto de trámites de patentes y su
transferencia a la industria está disponible.
7

El Albatros I constituyó el mayor aerogenerador desarrollado en México, de 10 kW de potencia
eléctrica, en base a un generador de imanes permanentes de 28 polos y rotor de tres aspas de 11
metros de diámetro, fue concebido para operar como aerobomba eléctrica, accionando en
régimen de velocidad variable, una bomba eléctrica convencional, sumergida o vertical, de 7.5 a
10 HP, accionada con corriente trifásica a 220 Volts y frecuencia de 40 a 80 ciclos/segundo,
dependiendo de la velocidad del viento. Del Albatros I se desarrollaron dos versiones, la
aerobomba mecánica, con mecanismo de carrera variable, para optimar el aprovechamiento de la
energía eólica en bombas de émbolo, y la eléctrica, trabajando en régimen de velocidad variable
en la bomba, con el mismo fin, mejorar la eficiencia.

Este desarrollo se inició con el apoyo económico y asesoría de VITA (Volunteers in Technical
Assistance) organización no lucrativa de divulgación técnica de los Estados Unidos para países en
vías de desarrollo, que recibió financiamiento de la Fundación General Electric para este proyecto.
Los trabajos posteriores en el Albatros II, y el Itia se realizaron con fondos proporcionados por el
Programa Mar del Plata de la Organización de Estados Americanos (OEA). Este financiamiento en
periodo de devaluaciones permitió habilitar un taller móvil y la construcción de un Túnel de Viento
en la sede del IIE en Temixco, Mor.

Durante las pruebas de la versión eléctrica del Albatros I en El Gavillero, vientos enrachados
estando en operación, provocaron la fractura de la estructura de aluminio de una aspavela,
partiéndose a la mitad. La estructure del aspavela falló por errores en el proceso de soldadura al
recalentar el larguero principal y degradar sus características de resistencia a la tracción,
fracturándose con el esfuerzo. El dacrón importado, de alto costo y las dificultades constructivas
de la estructura de la aspavela, llevó a reconsiderar el diseño del rotor.

El Albatros II, se desarrolló también alrededor del concepto de la vela, sin usar una tela de alta
resistencia, alto costo y de importación, sino un remedo semi-rígido de fibra de vidrio, en que por
torsión del aspa se varían las características aerodinámicas de la misma y se controla y limita la
potencia transferida al rotor. Este aerogenerador, mucho más esbelto y sencillo, funcionaba bien
en sus primeras pruebas operacionales. Antes de ser instrumentado para su caracterización, ya
que en la Estación de El Gavillero se probaban simultáneamente otros dos aerogeneradores, el
Fénix de 2 kW y el Colibrí de 5 kW, el único aerogenerador fabricado y comercializado en México
desde principios de los 80's, lo impactó un gran remolino, estando parado y frenado, levantando el
conjunto de bastidor y rotor, de más de 600 kilos, al menos 30 centímetros para sacarlo del
mecanismo de tornamesa que en la cúspide de la torre de 18 metros, permite la orientación del
conjunto para darle la cara al viento cuando está en operación. La caída fue catastrófica, ya que el
conjunto del rotor, de tres aspas y 11 metros de diámetro, con largueros de aluminio, fue
totalmente destruido.

El IIE elaboró los anteproyectos de un aerogenerador de 50 kW y de otro de 100 kW para ser
montado en las inmediaciones de la Estación de El Gavillero junto a un pozo profundo donde se
instaló una bomba de 100 HP. Proyecto que careció de respaldo económico para su ejecución.

Los recortes presupuestales, obligaron a concentrarse nuevamente en pequeños
aerogeneradores, desarrollándose el Avispa de 300 Watts, utilizando un alternador de automóvil,
el que producido industrialmente con un generador de imanes permanentes sería nominalmente
de 500 Watts. El Avispa resume la experiencia de más de una década diseñando, construyendo y
probando aerogeneradores. Desde su diseño se consideraron tres criterios básicos, su
confiabilidad y su reproducibilidad industrial a bajo costo. Este aerogenerador es objeto de
patentes en trámite, por soluciones novedosas en los mecanismos de control y ensamble. El
Avispa, equivalente ahora a seis paneles fotovoltaicos de 50 Watts pico, permitiría en una vivienda
rural, energizar el alumbrado con lámparas fluorescentes compactas, el radio durante el día y una
televisión en la noche, así como un pequeño refrigerador, ya que proporcionaría del orden de 50
kWh al mes, en condiciones adecuadas de viento (5 m/s de promedio anual).
En el IIE se desarrollo también un pequeño aerogenerador de 50 Watts de 90 centímetros de
diámetro, cuyo objetivo inicial era la recarga de las baterías automotrices usadas en energizar los
anemómetros electrónicos con los que se realizaban los estudios del viento en los sitios de interés.
Los anemómetros requerían al cabo de un mes de mediciones continuas que se reemplazaran las
memorias y la batería por una recién cargada. La instalación de un pequeño aerogenerador en el
mástil de los anemómetros mantendría permanentemente un nivel adecuado de carga en la
batería. El desarrollo de la electrónica de estado sólido, permitió diseñar anemómetros
electrónicos de muy bajo consumo eléctrico, siendo suficiente un par de pilas alcalinas para
sustituir la batería automotriz.

El Instituto de Investigaciones Eléctricas, ha sido la única institución que por veinte años ha
mantenido una ruta consistente de desarrollo de sistemas conversores de energía eólica, lo que se
complementó con el desarrollo de anemocinemógrafos electrónicos, sistemas de prueba y
adquisición de datos, un túnel de viento con un sistema de adquisición de datos en tiempo real, un
laboratorio móvil de meteorología eólica, un taller móvil y la Estación Experimental de El Gavillero,
Hgo.

Al lado de estas actividades, otras instituciones han incursionado en el desarrollo de sistemas
conversores de energía eólica, como la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del
Estado de México, que desarrolló el Ehecatl de 1 kW. El Instituto de Ingeniería de la UNAM junto
con el Centro de Investigaciones Biológicas de BajaCalifornia Sur, que desarrollaron otro prototipo
de 1 kW. Las Facultades de Ingeniería de la Universidad Veracruzana y de la Universidad de
Zacatecas, han realizado como trabajo de tesis, prototipos de pequeños aerogeneradores, usando
alternadores automotrices.

A mediados de 1994 entró en operación en la Venta, Oaxaca, una central eoloeléctrica de 1,575
kW, constituida por 7 aerogeneradores Vestas (Daneses) de 225 kW cada uno, como resultado de
una licitación pública convocada por CFE. Esta central, construida en un lugar donde el IIE realizó
mediciones desde 1984 y ubicó el sitio como uno de los más ventosos en el Sur del Istmo de
Tehuantepec, presenta factores de planta anuales del orden del 60%, cuando la media en
Dinamarca y California es del orden del 25%. Esta minicentral representa la primera experiencia
para CFE de la interconexión de eoloeléctricas al sistema eléctrico interconectado.

1.2.4 Regiones Eoloenergéticas de México.
El Instituto de Investigaciones Eléctricas inició en 1977 el análisis de la información meteorológica
de México para determinar el potencial eólico nacional. Procesar los datos de la década de los
70's, de la información de los 67 observatorios con que contaba el SMN, fue un trabajo conjunto
que ocupó varios años y sufrió un importante retraso por el terremoto del 85 que destruyó las
computadoras de la Secretaría de Agricultura y las del SMN tuvieron que entrar en su apoyo. Para
el SMN digitalizar los registros diarios de las observaciones meteorológicas de la década de los
setentas, le llevó casi tres años de trabajo a mediados de los 80's, y al IIE otros tantos en depurar y
procesar la información meteorológica del SMN, la que es importante para caracterizar
cualitativamente el viento, su estacionalidad, rumbos dominantes, porcentaje de calmas, vientos
dominantes y energéticos, pero no así para determinar el potencial energético eólico de un país.

El conocimiento del recurso energético eólico en México está a nivel exploratorio y de
reconocimiento, sin embargo, las mediciones puntuales o de pequeñas redes anemométricas,
realizadas principalmente por el IIE y algunas otras entidades o empresas, han servido para
confirmar a nivel de prefactibilidad, la existencia de vientos técnicamente aprovechables y
económicamente viables en las siguientes regiones:

*Sur del Istmo de Tehuantepec.
Esta región contiene un área del orden de 1000 km. cuadrados expuesta a vientos muy intensos,
dado un fenómeno monzónico entre el Golfo de México y el Golfo de Tehuantepec, donde aflora
una corriente marina anormalmente caliente, originando un gradiente térmico y de presión que da
lugar a un intenso viento del norte desde el otoño hasta la primavera. Esta región, considerando la
infraestructura eléctrica existente y otros usos del suelo podría asimilar una capacidad instalada
del orden de los 2000 a 3000 MW, con un factor de planta medio de 0.45. En las zonas más
propicias, con factores de planta del 0.6 anual y de 0.9 o más en el otoño e invierno. En las
inmediaciones del poblado de La Venta, Oaxaca, se instaló en 1994 la primera mini central
eoloeléctrica en México, con una capacidad de 1,575 kW, constituida por siete aerogeneradores
de 225 kW.

*Península de Baja California.
Esta península es interesante eoloenergéticamente, por varias razones, su extensión geográfica, su
baja densidad poblacional y eléctricamente alimentada por sistemas aislados, cuando eólicamente
es una barrera natural perpendicular a los vientos occidentales, que en sus montañas e
innumerables pasos puede proporcionar muchos sitios con potencial explotable. El poblado de la
Rumorosa y zonas aledañas, así como el paso entre la Sierra de Juárez y la Sierra de San Pedro
Mártir, por donde cruza la carretera y la línea eléctrica de Ensenada a San Felipe en el Golfo de
California, son regiones identificadas con alto potencial eólico, que son indicativas de lo que puede
encontrarse en muchos otros lugares de la península.

*Península de Yucatán.
La franca exposición de la península a los vientos alisios de primavera y verano, incrementados en
su costa oriental por la brisa marina, y a los nortes en el invierno, hacen de Cabo Catoche, la costa
de Quintana Roo y el oriente de Cozumel, zonas con potencial eólico interesante, para contribuir
significativamente a los requerimientos de la península en apoyo de su generación termoeléctrica.

*Altiplano norte.
Desde la región central de Zacatecas a la frontera con los Estados Unidos, el norte del país se ve
influenciado por la corriente de chorro de octubre a marzo, intensa y persistente, que como viento
del poniente al impactar la Sierra Madre Occidental da lugar a innumerables sitios con potencial
explotable. En la parte norte del estado de Coahuila existen áreas sumamente ventosas.

*Región Central.
En la región central del altiplano, prevalecen los vientos alisios de verano, desde Tlaxcala a
Guanajuato, que en Pachuca, la bella airosa, son más conocidos. Estos vientos complementan
estacionalmente, a los del altiplano norte y los del sur del Istmo de Tehuantepec. La complejidad
orográfica de esta región, debe dar lugar a la existencia de innumerables pasos y mesetas donde el
viento sea energéticamente aprovechable.

*Las costas del país.
El extenso litoral mexicano y sus islas, presenta por lo menos condiciones para generación
eléctrica en pequeña escala y almacenamiento en baterías, sistemas híbridos diesel-eólicos y en
otros generación interconectada. La generación eoloeléctrica en gran escala en las costas para la
producción de hidrógeno, constituirá una de las principales aplicaciones a mediados del próximo
siglo.

A mediados del próximo siglo, cuando las termoeléctricas a combustóleo y carbón sean historia, y
la población en México se estabilice alrededor de los 130 millones de mexicanos, nuestro sistema
eléctrico deberá alcanzar del orden de los 125,000 MW instalados, en esas condiciones, la energía
eólica podrá contribuir con la generación eléctrica de el orden de 30,000 MW instalados de
aerogeneradores, un gran porcentaje de ellos produciendo hidrógeno para centrales turbogas.

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2. Diseño de aerogeneradores

2.1. Clasificación de los aerogeneradores
2.1.1. Aerogeneradores de eje vertical

Los aerogeneradores de eje vertical disponen del eje de giro verticalmente, mientras que las palas
se mueven en un plano horizontal a su alrededor.
Poseen un diseño crítico, pues con esta orientación cuando las palas son empujadas para que se
produzca el avance, también son frenadas por la parte trasera otras palas que se aproximan al
viento. Así pues, el diseño de la pala debe realizarse de forma que sea capaz de captar el máximo
viento por su parte delantera, mientras que por la trasera ofrezca la mínima resistencia posible.
Los diseños más utilizados son el rotor Savonius y el rotor Darrieus.

Las principales ventajas teóricas de una máquina de eje vertical son:
Puede situarse el generador, el multiplicador, etc. en el suelo, y puede no necesitarse una
torre para la máquina.

No es necesario un mecanismo de orientación para girar el rotor en contra del viento.

No requieren mecanismos de cambio de revoluciones, por cuanto no suelen usarse en
aplicaciones que precisen velocidad angular constante.

Las principales desventajas son:
Las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son muy bajas, por lo que a pesar de
que puede ahorrarse la torre, sus velocidades de viento serán muy bajas en la parte más
inferior de su rotor.

La eficiencia promedio de las máquinas de eje vertical no es extraordinaria.

La máquina no es de arranque automático (es decir, por ejemplo, una máquina Darrieus
necesita un empuje antes arrancar. Sin embargo, esto es sólo un inconveniente sin
importancia,ya que puede utilizarse el generador como motor, absorbiendo corriente de
la red para arrancar la máquina).
La máquina puede necesitar cables tensores que la sujeten, aunque esta solución no es
practicable en áreas muy cultivadas.

Para sustituir el cojinete principal del rotor se necesita desmontar el rotor, tanto en las
máquinas de eje horizontal como en las de eje vertical. En caso de las últimas, esto implica
que toda la máquina deberá ser desmontada.
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2.1.1.1. Aerogenerador Savonius

El aerogenerador Savonius fue inventado por el finlandés Sigurd Savonius en el año 1924 y
patentado en 1929. Se compone de dos semicilindros de igual diámetro, de ejes paralelos
acoplados al eje de giro y separados una cierta distancia.
La principal ventaja de este tipo de rotores consiste en que pueden trabajar con velocidades del
viento muy bajas. El sistema presenta además buenas características aerodinámicas para el
autoarranque y la autorregulación.
El funcionamiento de este tipo de aerogeneradores se debe a que las fuerzas que ejerce el viento
en la parte cóncava y convexa son diferentes, y ello hace que el conjunto a su alrededor gire.
Cuando se selecciona un rotor Savonius se deben de tomar en cuenta las opciones de
configuración que pueden existir, que incluyen espaciados entre palas, número de palas, esbeltez
y posicionamiento de las mismas y discos laterales que conforman las bases de apoyo, como se
muestra en la figura 2.1, donde se presentan diversas opciones; se puede observar que la e tiene
una mayor esbeltez que la f, mientras que la g mejora el rendimiento del rotor a bajas
revoluciones, así como la energía liberada para un determinado campo de velocidades del viento.

Figura 2.1. Rotores Savonius

La sencillez de su diseño y la posibilidad de construir bombas eólicas con buenos rendimientos
utilizando los típicos toneles de aceite, convierten a estas turbinas en las más adecuadas para
regiones poco industrializadas.
En la figura 2.2 se esquematiza una aeroturbina Savonius utilizada para bombeo de agua, la cual es
muy adecuada para aplicaciones de riego.

Figura 2.2. Aeroturbina Savonius para bombeo de agua

2.1.1.2. Aerogenerador Darrieus

La única turbina de eje vertical que ha sido comercialmente fabricada en todos los volúmenes es la
máquina Darrieus, que debe su nombre al ingeniero francés Georges Darrieus, quien patentó el
diseño en 1931.
El rotor Darrieus consta de finas palas con forma de ala de avión simétrica, que están unidas al eje
sólo por los dos extremos, con una curva especial diseñada para un máximo rendimiento entre las
dos uniones del eje. El modelo de curva más utilizado es el denominado Troposkien, aunque
también se utiliza la catenaria. Normalmente se construyen con dos o tres palas.
La máquina Darrieus permite mayores velocidades que las del rotor Savonius, pero no alcanza a las
de un rotor de eje horizontal; de todas formas es útil para la generación de energía eléctrica.
En la figura 2.3 se muestra un ejemplo de rotor Darrieus de tres hojas de aluminio extrudido. En lo
alto del mástil lleva un anemómetro y un sensor de vibraciones, a cuyas señales anómalas el
aerogenerador se frena. Para evitar sobrecargas y exceso de velocidad en el alternador, se colocan
unos contrapesos ensamblados en las hojas del aparato para absorber la energía extra del viento
durante los períodos de alta velocidad; el peso total es de 3 TM y la potencia generada en el
alternador es de 25 kW para velocidades del viento del orden de 12 m/s.

Figura 2.3. Aerogenerador Darrieus

Los Laboratorios Sandia (Nuevo México, USA) construyeron en 1977 una aeroturbina de 17 m de
diámetro y una potencia de 70 kW. Ese mismo año, el National Research Council de Canadá
encargó la construcción de una máquina de 24 m de diámetro y 200 kW de potencia, que se
instaló en la isla Magdalena, acoplada a una planta Diesel. El prototipo funcionó durante un año
antes de que las palas acabaran por romperse. Posteriormente los Laboratorios Sandia
desarrollaron otro modelo de 120 kW de potencia y 34 m de diámetro. En USA se han diseñado
modelos comerciales de aerogeneradores Darrieus con potencias de 150 y 250 kW, y en California
existen parques eólicos, con turbinas de este tipo, que alcanzan los 30 MW.
En Europa, el programa eólico holandés ha dedicado especial atención a este tipo de turbinas.
Dadas las dificultades para encontrar emplazamientos adecuados a las grandes turbinas de eje
horizontal, los holandeses intentan desarrollar modelos Darrieus de potencia media, con menores
requerimientos desde el punto de vista de la utilización del suelo.

2.1.2. Aerogeneradores de eje horizontal

Las aeroturbinas de eje horizontal se suelen clasificar según su velocidad de giro o según el
número de palas que lleva el rotor, aspectos que están íntimamente relacionados, en rápidas y
lentas; las primeras tienen un número de palas no superior a 4 y las segundas pueden tener hasta
24.
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2.1.2.1. Aerogeneradores de eje horizontal lentos

Las máquinas eólicas de este tipo son de arrastre, y aprovechan la componente de la fuerza del
viento perpendicular a la superficie de sus aspas, palas o aletas.
El molino americano, como el de la figura 2.4, es un generador lento que hizo su aparición hacia
1800; está formado por un rotor compuesto por un número de palas que pueden oscilar entre 12 y
24. Su diámetro suele estar entre 5 y 8 metros; diámetros mayores originarían un excesivo peso
del rotor que dificultaría el arranque; suelen ponerse en funcionamiento con vientos de 2 a 3 m/s,
aunque no alcanzan su potencia máxima hasta velocidades mayores.

Figura 2.4. Molino americano

El rotor está conformado por delgadas placas metálicas, de perfil no aerodinámico, prácticamente
planas, con una cierta orientación; el viento ejerce sobre ellas una fuerza de arrastre que provoca
el par de giro.
Su rendimiento máximo es del orden del 30%, aproximadamente el 50% del límite de Betz. Su
funcionamiento es muy simple, por cuanto el rotor acciona directamente un sistema biela-
manivela que mueve un embolo, produciendo un movimiento de vaivén.
La utilización más común para estas máquinas es el bombeo de agua mediante una bomba de
émbolo.

2.1.2.2. Aerogeneradores de eje horizontal rápidos

En los aerogeneradores de eje horizontal rápidos, el rotor está constituido por una hélice de 2 o
más palas; los perfiles utilizados normalmente en las mismas son muy parecidos al perfil de ala de
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avión, por lo que éstos están muy estudiados y se conocen muy bien sus características; dichos
perfiles se eligen teniendo en cuenta el número de revoluciones por minuto que se desea que
adquiera el aparato.
Para aerogeneradores destinados a la obtención de energía eléctrica, el número de palas puede
ser 2 ó 3, dado que la potencia generada no depende más que de la superficie barrida por la
hélice, y no del número de palas. La aeroturbina puede accionar dos tipos distintos de
generadores eléctricos, de corriente continua (dinamos), o de corriente alterna (síncronos,
asíncronos, etc.), ya sea directamente o mediante un sistema de multiplicación de engranajes. Los
primeros diseños que eran de potencias pequeñas y velocidad fija, tenían generadores de
inducción directamente conectados a la red.
La potencia máxima de un aerogenerador rápido se obtiene a altas revoluciones, requiriéndose
velocidades del viento superiores a 6 m/s. Su rendimiento es del orden del 35% al 40%, que es un
valor más alto que el de los multipala. Con 3 ó 4 palas se consigue un par de arranque importante,
debido a que en la puesta en marcha la fuerza ejercida por el viento es proporcional al número de
palas (de ahí el uso de rotores multipalas para el bombeo de agua, que requieren un buen par de
arranque dadas las características del fluido a bombear), cosaque no se consigue con aparatos
bípala que, en algunos casos, precisan de energía adicional para comenzar a funcionar.
El funcionamiento de estas máquinas es diferente, por lo que respecta al tipo de la acción debida
al viento que las hace funcionar; en las máquinas lentas la fuerza de arrastre es mucho más
importante que la de sustentación, mientras que en las máquinas rápidas la componente de
sustentación es mucho mayor que la de arrastre.
La hélice puede presentar dos tipos de posiciones frente al viento, como son barlovento y
sotavento.

2.1.2.2.1. Rotor a barlovento

Las turbinas eólicas a barlovento son las que poseen el rotor o hélice enfrentando al viento, es
decir delante de la torre.
La ventaja básica de este tipo de máquinas es que evitan la influencia de la sombra aerodinámica
de la torre.
Sin embargo, aunque en menor medida que en una configuración a sotavento, existe una pequeña
perturbación. Esto se debe a que la porción del área del rotor que enfrenta a la torre se introduce
un cambio en el patrón normal de variación de presiones a lo largo de las líneas de flujo que
atraviesan dicho sector. Debido a esto, estas líneas de flujo empiezan a curvarse antes de llegar a
la torre, aún si la superficie de ésta es cilíndrica y perfectamente lisa. Así, la potencia que posee el
viento, y que éstas captan, cae sensiblemente cada vez que las palas del rotor pasan por las
cercanías de la torre.
No obstante, la desventaja principal de una configuración a barlovento es que requiere un sistema
de orientación del rotor que lo mantenga enfrentado al viento. Tales sistemas pueden ser activos
o pasivos.
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Un sistema de orientación activo requiere utilizar sensores de dirección y accionamientos
motorizados que guíen al rotor automáticamente hacia la dirección del viento. Un sistema de
orientación pasivo en una turbina de rotor a barlovento es el que utiliza una aleta estabilizadora,
tal es el caso que se muestra en la figura 2.5.

Figura 2.5. Rotor a barlovento

2.1.2.2.2 Rotor a sotavento

Las máquinas con este tipo de configuración tienen el rotor o hélice situado, como su nombre lo
dice, en el lado a sotavento de la torre.
Este sistema posee la ventaja fundamental de no requerir dispositivo de orientación alguno,
siempre y cuando se diseñe adecuadamente el rotor y la góndola, como el aerogenerador que se
muestra en la figura 2.6, de tal modo que haga que la misma siga de forma pasiva a la dirección del
viento.

Figura 2.6. Rotor a sotavento

Sin embargo, esta manera de orientar a la hélice se ve obstaculizada por la forma en que se puede
transmitir la corriente saliente desde el generador; ya que una vinculación directa por medio de
cables necesita un control activo del enroscado de los mismos (si la góndola gira repetidamente en
el mismo sentido por un largo periodo de tiempo), y una vinculación por medio de anillos
rozadores debe ser muy bien estudiada dadas las elevadas intensidades de carga que son
transmitidas.
Una importante ventaja adicional de un rotor a sotavento es la posibilidad de emplear materiales
más flexibles para las palas. Esta importancia se debe en primer lugar a la disminución del peso
que implica una pala menos rígida; y en segundo lugar a que de este modo se alivian las cargas
dinámicas sobre todo el sistema, debido a que a altas velocidades de viento, por ejemplo durante
ráfagas, las palas pueden empezar a curvarse, aliviando en parte a la torre y a toda la estructura de
soporte.
El inconveniente principal es la fluctuación de la potencia eólica, debida al paso del rotor a través
del abrigo de la torre. Esto puede crear más cargas de fatiga en la turbina que con un diseño a
barlovento.

2.2 Componentes de un aerogenerador

La góndola contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo la caja multiplicadora y
el generador eléctrico. El personal de mantenimiento puede entrar en la góndola desde la torre de
la turbina. Al lado de la góndola se encuentra el rotor del aerogenerador, es decir, las palas y el
buje.
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2.2.1. Caja multiplicadora

La potencia de rotación del rotor de la turbina eólica es trasferida al generador a través del tren de
potencia, o sea, a través del eje principal, la caja multiplicadora y el eje de alta velocidad.
La caja multiplicadora es necesaria, ya que si se usara un generador ordinario conectado
directamente a una red trifásica de CA (corriente alterna) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, se
debería tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000 revoluciones
por minuto (r.p.m.). Con un rotor de 43 metros de diámetro, esto implicaría una velocidad en el
extremo del rotor de más de dos veces la velocidad del sonido, por lo que esa opción no es
factible.
Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero si se quisiera
conectar el generador directamente a la red, tendría que ser un generador de 200 polos (es decir,
300 imanes) para conseguir una velocidad de rotación razonable de 30 r.p.m.
Otro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente
proporcional a la cantidad de par torsor (momento, o fuerza de giro) que tiene que manejar. Así
que, en cualquier caso, un generador accionado directamente sería muy pesado y caro.
La solución práctica, utilizada en dirección contraria en muchas máquinas industriales, y que está
relacionada con los motores de automóviles, es la de utilizar un multiplicador.
Una caja multiplicadora hace la conversión entre la potencia de alto par torsor, que obtiene del
rotor de la turbina eólica girando lentamente, y la potencia de bajo torsor, alta velocidad, que
utiliza el generador.
La caja multiplicadora de la turbina eólica no cambia las velocidades. Normalmente, suele tener
una única relación de multiplicación entre la rotación del rotor y el generador. Para una máquina
de 600 ó 750 kW, parecida a la de la figura 2.7, la relación de multiplicación suele ser
aproximadamente de 1:50.

Figura 2.7. Caja multiplicadora
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Generalmente existen dos tipos de cajas multiplicadoras en aerogeneradores: de ejes paralelos y
de planetarios.
Hasta un intervalo en torno a los 500 kW hay poca diferencia entre el costo de una multiplicadora
de ejes paralelos y una planetaria. Los planetarios son de menor tamaño pero son más difíciles de
inspeccionar y mantener. A partir de los 500 kW, el peso y el tamaño menor hacen aventajar a los
planetarios.

2.2.2. Rotor

El rotor está compuesto por un buje y por las palas. Generalmente gira de 19 a 30 r.p.m.

2.2.2.1. Buje

El buje, o cubo, une las palas entre sí y transmite el movimiento de giro al eje de baja velocidad.
Para las aeroturbinas cuyo diámetro es inferior de 30 ó 40 metros se puede utilizar un buje rígido,
especialmente cuando la hélice es tripala porque este tipo de rotor es más equilibrado que el tipo
bipala. El momento de cabeceo es menor para el primero, por lo que la fatiga a la flexión del eje
del rotor se reduce.
Cuando el diámetro es superior a 40 m se considera preferible la utilización del cubo articulado
(flexible) para los rotores bipalas. En momento de cabeceo disminuye y la fatiga a la flexión de las
palas, del eje y de la torre se reduce considerablemente.

2.2.2.2. Palas

Las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje.

2.2.2.2.1. Materiales de la pala

Una cuestión que hay que tener muy en cuenta en el diseño de un rotor es el problema
estructural, por cuanto siempre es posible diseñar una pala muy buena desde el punto de vista
aerodinámico, pero que no sea capaz de resistir los esfuerzos a que esté sometida.
Las palas están sometidas a condiciones de trabajo muy duras, como fenómenos de corrosión,
erosión, contracciones y dilataciones debidas a las vibraciones (fatiga). Por esto es muy importante